Verejn e mobiln st e, LTE

Verejn e mobiln st e, LTE PA 151 Soudob e ste Jan Staudek http://www..muni.cz/usr/staudek/vyuka/ Ð Û Å«Æ ±²³ µ ¹º»¼½¾ Ý Verze : jaro 2017

Bezdratov e s te, systematizace z hlediska pokryt prostoru Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudobe s te { Bezdratov e (mobiln, bunkov e) telekomunikacn systemy 1

Telekomunikacn syst emy: poskytovan e sluzby Obvykle integrace poskytov an n ekolika typ u tzv. telekomunikacnch sluzeb: hlasov e sluzby, datov e sluzby, SMS (Short Message Service), sluzby podporujc uctov an,... Klasick e resen telekomunikacnch sluzeb { v podstat e tri kategorie z akladn sluzby { 1. dorucovatelsk e sluzby a { 2. telematick e sluzby 3. podp urn e sluzby Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 2

Model p usoben z akladnch sluzeb v mobilnch stch Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 3

Z akladn sluzby v stch GSM, prklady Dorucovatelsk e sluzby Telekomunikacn sluzby umoz nujc prenos dat mezi rozhranmi st'ov ych zarzen (ME, Mobile Equipment) pro specikaci rozhran ME stac vrstvy RM OSI 1{3 (TDMA, FDMA, k odov an, FEC,... ) jsou implementovan e jako spojovan e sluzby (connection-oriented) jsou poskytovan e st s prepojov anm paket u nebo st s prepojov anm okruh u Telematick e sluzby { Telekomunication and informatics tak e ICT (Information and Communications Technology) aplikacne orientovan e sluzby { typicky prenos hlasu, SMS, MMS,... pro specikaci potrebuj vsechny vrstvy RM OSI 1{7 jsou implementovan e jako koncov e sluzby (end-to-end) sluzby mezi dv ema koncov ymi termin aly, TE (Terminal Equipment) Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 4

Dorucovatelsk e sluzby v stch GSM, prklady P uvodn standard predpisuje pro prenos hlasu a pro prenos dat r uzn e rychlosti prenosu [b/s] prenos dat se t yk a sluzeb pro propojov an s PSTN, s ISDN, s verejn ymi stemi s prepojov anm paket u,... sluzby pro zprstupn en fyzick e vrstvy (OSI 1) + FEC sluzby vrstvy datov eho spoje a st'ov e vrstvy (OSI 2, 3) pro opravu chyb a pro rzen toku, RLP, Radio Link Protocol, ekvivalent protokolu HDLC pln y duplex, synchronn: 1,2 kb/s, 2,4 kb/s, 4,8 kb/s nebo 9,6 kb/s pln y duplex, asynchronn: 300 { 9 600 b/s po doplnen standard u GPRS/EDGE i napr. 50 kb/s (detaily GPRS/EDGE pozd eji) Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 5

Telematick e sluzby v stch GSM, prklady Podrizuj se funkcm bu nkov e architektury, bezpecnostnm opatrenm,... Telekomunikacn sluzby podporujc hlasovou komunikaci mobiln telefonie { prim arn cl GSM: umoznit mobiln telefonii v tradicn srce p asma 3,1 khz ts nov e vol an (Emergency number) { jednotn e cslo v cel e Evrope (112), { povinn a sluzba podporovan a vsemi oper atory sluzeb GSM { bezplatn a sluzba { spojen s nejvyss prioritou (preempce ostatnch vol an) multinumbering 1 uzivatel m uze mt vce ISDN-telefonnch csel Telekomunikacn sluzby podporujc nehlasovou komunikaci nekdy zvan e dopl nkov e sluzby SMS, MMS,... Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 6

Dopl nkov e sluzby v stch GSM, prklady SMS (Short Message Service) prenos az 160 alfanumerick ych znak u do/z mobilnho termin alu rdicm (signaling) kan alem { to umoz nuje soub ezn e pouzv an hlasov ych telematick ych sluzeb s SMS EMS (Enhanced Messaging Service), MMS (Multimedia Message Service) { Fax + prenos GIF, JPG,..., videa,... Hlasov a schr anka implementovan a v pevn e sti podporujc mobiln termin aly E-mail MHS, Message Handling System, implementov ano v pevn e sti podporujc mobiln termin aly Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 7

Podp urn e sluzby obecn e, prklady Nenabzej se samostatn e, podporuj pln en z akladnch sluzeb U r uzn ych oper ator u, v r uzn ych zemch a v r uzn ych verzch protokol u se mohou lisit D ulezit e podp urn e sluzby Identikace { dod av an csla volajcho Potlacen dod av an csla volajcho Automatick e zp etn e vol an (call-back) Konference napr. az 7 ucastnk u Uzamcen mobilnho termin alu (pro prchoz / odchoz hovory)... Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 8

Bu nkov e telekomunikacn syst emy podpora komunikace dvou geogracky libovoln e vzd alen ych zarzen, stanic, pricemz jedna nebo ob e stanice mohou b yt mobiln stanic geograck y prostor poskytov an sluzeb je d elen do dlcch prostor u, bun ek { uplat nuje se prostorov y multiplexing v bu nk ach se poskytuje podpora bezdr atov e komunikace mobilnch stanic se z akladnou bu nky z akladny bun ek jsou propojeny (kabelovou) podp urnou sluzebn st s ustrednami a s podp urn ymi datab azov ymi syst emy komunikacn spojen mezi komunikujcmi stanicemi zprostredkov avaj ustredny na z aklad e informac uchov avan ych v podp urn ych DBS Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 9

Bu nkov y telekomunikacn syst em (prklad z GSM,..., LTE) MS { mobile station, mobil, mobiln stanice, resp. UE, User Equipment (LTE) MSC { ustredna, podp urn a st' poskytovatele sluzeb m uze propojovat vce MSC, MSC m uze ovl adat vce bunek BTS { base tranceiver station, vyslac/prijmac z akladna bu nky, resp. enodeb, Evolved Node B (LTE) Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 10

Bu nkov y telekomunikacn syst em (prklad { GSM) Bu nka { prostor pokryt y sign aly BTS / enodeb Bu nky nemaj pevn y rozmer cm vce ucastnk u m uze b yt v jist e lokalite, tm vetsm poctem mensch bunek se oblast pokr yv a (bu nky maj konecnou komunikacn kapacitu) rozm er (polom ery) bun ek se pohybuj v intervalech 10 2 m az 35 km podle hustoty uzivatel u, geograck ych podmnek, v ykonu vyslace/prijmace,... Sign aly vyslan e BTS a MS v sousednch bu nk ach nesm interferovat shodn e intervaly frekvenc prenosov ych kan al u se mohou vyskytovat pouze v nesousednch bu nk ach (princip zvan y Frequency-Reuse) Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 11

Multiplexov an v prostoru { bu nkov a st' Zjednodusen y hexagon aln model Omezen e rozp et sren sign alu umoz nuje opakovaně použít nosnou frekvenci ve vce bu nk ach pri zachov an urcit e vzd alenosti mezi jejich z akladnami (centry). Nosnou frekvenci lze opakovan e pouzt v nesousednch bu nk ach Probl em barven grafu. Prklad: pevn e prid elen nosn ych frekvenc pro opakovan e pouzit ve vzd alenosti 1. Interference mezi sousednmi bu nkami (odlisn e barvy) lze zvl adnout vyslacmi a prijmacmi ltry. Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 12

Bu nkov a st', opakovatelnost pouzit frekvenc bu nky se stejn ym cslem mohou pouzvat shodn a frekvencn p asma, stejn e obarven e bu nky mus pouzvat jedinecn a frekvencn p asma pri opakovacm faktoru 3 (4) jsou bu nky se shodn ymi csly oddelen e 1 (alespo n) bu nkou pri opakovacm faktoru 7 jsou bu nky se shodn ymi csly oddelen e 2 bu nkami Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 13

Evoluce verejn ych mobilnch st Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 14

Porovnan vlastnost generac PLMN Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudobe s te { Bezdratov e (mobiln, bunkov e) telekomunikacn systemy 15

LTE/ 4G, prehled St' plne zalozen a na IP, pouzv a prepojov an paket u pro prenos dat a pro propojen vsech st'ov ych uzl u LTE vc. napojen radiov ych z akladen Navrzen a jako rozsren UMTS, spolupracuje se stemi GSM / EDGE... Prim arn cle podpora aplikac vyzadujcch na up/downlink spojch vysokorychlostn prenos dat 300 Mb/s az 1 Gb/s na downlink a cca 75 Mb/s az 500 Mb/s na uplink Podpora VoLTE, hlas pomoc LTE v HD kvalite Podpora VoIP Zp etn a kompatibilita na existujc bezdr atov e st e Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 16

LTE/ 4G, prehled Duplexing: FDD, TDD a half-duplex FDD Obe techniky, FDD i TDD, maj sv e uplatnen a oper ator pouzv a tu, kter a vyhovuje pozadavk um na prenos sk alovateln a srka p asma: 20, 15, 10, 5, 3 and 1.4 MHz vhodn e i pro IPS (YouTube, Facebook z adaj velkou srku p asma) Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 17

LTE/ 4G, prehled K odov an dat pro prenos: Turbo Code (speci aln FEC k od) Mobilita Clovou oblast LTE jsou mobiln aplikace pri rychlostech 0 { 15 km/h LTE lze provozovat s vysok ym v ykonem pri rychlostech 15 { 120 km/h LTE lze funkcn e podporovat pri rychlostech 120 { 350 km/h uvazuje se o podpore LTE pri rychlostech 350 { 600 km/h Modulacn sch emata digit aln modulace DL: QPSK, 16QAM, 67QAM UL: QPSK, 16QAM, 67QAM pr umer bezdr atove obsluhovan e bu nky optim aln: 5 km, s primeren ym v ykonem: 30 km s jeste akceptovateln ym v ykonem: 100 km Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 18

LTE/ 4G, prehled kapacita bu nky: LTE: 200 aktivnch uzivatel u / datov ych klient u (pri srce p asma 5 MHz), 4G: az 600 uzivatel u latence: 5 ms pro uzivatele, 50 ms pro rzen vysok e prenosov e rychlosti se dosahuj predevsm aplikac technik OFDM (a MIMO) na urovni radiov eho prenosu Vsechna LTE zarzen mus podporovat vysl an typu MIMO, kter e z akladne umoz nuje vyslat nekolik datov ych proud u stejn ym nosn ym sign alem soucasne Pro LTE je od poc atku navrzeno pouzit MIMO a OFDMA na downlik spoji a SC-FDMA na uplink spoji Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 19

Architektura st LTE Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 20

Architektura st LTE, E{UTRAN, EPC LTE mobil v jednom case komunikuje s pr ave jednou z akladnou (enb) jedn e oblasti enb vysl a a prijm a radiov a vysl an do/z vsech mobil u v bu nce enb pouzv a funkce pro zpracov an analogov ych a digit alnch sign al u enb rd z akladn operace vsech sv ych mobil u pomoc zasl an rdicch zpr av (pred avky mezi bu nkami,... ) Kazd a enb je napojena na EPC rozhranm (protokolem) S1 Sob e blzk e z akladny, enb, jsou propojeny rozhranm X2 X2 je pouzvan y napr. pro rzen a pred av an paket u pri pred avce mobilu mezi bu nkami Z akladna m uze mt charakter domovsk e z akladny femtobu nky, Home enb, HeNB Femtobu nka poskytuje sluzby uzavren e z akaznick e skupin e, Closed Subscriber Group, CSG prslusnost z akaznka do CSG je poznacena v USIM Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 21

Architekura st LTE, EPC Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 22

Architektura st LTE, komponenty Ustredny, Mobility Management Entity (MME) Dorucovatelsk e zpr avy se vyme nuj mezi UE a MME vybran a ustredna rd UE pres rozhran S1{MME Datab aze z akaznk u, Home Subscriber Server (HSS) data z akaznka, popis z akaznkem predplacen ych sluzeb do kter ych PDN se z akaznk pripojuje kter a MME z akaznka pr ave registruje autentizacn informace, sifrovac klce z akaznka,... Br ana do st e E-UTRAN, Serving Gateway (SGW) datov a komunikace s jednotliv ymi UE, pred avky mezi bu nkami, S1-U Br ana do st IP, PDN Gateway (PGW) rozhran IP konektivity s externmi st emi PDN (Inaternet,...) Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 23

Architektura st LTE, E{architektura sm erov an, roaming LTE st' provozovan a jednm oper atorem v jedn e zemi { Public Land Mobile Network, PLMN ucastnk prihl asen y u sv eho oper atora je v Home-PLNM, HPLNM kdyz se ucastnk presune do jin e PLNM, je v Visited-PLNM, VPLNM Vandrujc (roaming) ucastnk je pripojen y k E-UTRAN, MME a S-GW v VPLNM P-GW v HPLNM povoluje ucastnkovi si zprstup novat sluzby sv eho oper atora i kdyz tento se nach az v VPLNM P-GW v VPLNM povoluje lok aln prstupy k Internetu v VPLNM Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 24

Architektura st LTE, radiov e protokoly v E-UTRAN Rzen prenos u v bu nce, UE enb ve dvou sf er ach rdic sf era { v ymena rdicch zpr av mezi z akladnou a mobilem uzivatelsk a sf era { v ymena datov ych paket u d ale zpracov avan ych protokoly TCP, UDP, IP Technologick a b aze radiov ych prenos u: Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 25

Architektura st LTE, radiov e protokoly v E-UTRAN Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 26

Architektura st LTE, radiov e protokoly v E-UTRAN RRC, Radio Resource Control layer RRC kongurace nizsch radiov ych vrstev rozesl an syst emov ych informac ustanovov an, uvol nov an a udrzov an spojen mobilita { pred avky mezi bu nkami Funkcnost rdic sf ery z avis na stavu UE v prostoji, idle: UE vyhled av a a vol bu nku, hled a vyhled avac komunikacn kan al,... pripojen e, connected,: E-UTRAN vyhled av a vhodnou bu nku pro UE Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 27

Komunikacn kan aly LTE Pres radiov e rozhran LTE se data pren as kan aly R uzn e typy kan al u segreguj r uzn e typy dat Kan aly rovn ez poskytuj rozhran na vyss vrstvy nad MAC v protokolov e strukture LTE Kan aly jsou tr typ u Fyzick e kan aly { prenosov e kan aly, technologie pro prenos uzivatelsk ych dat a rdcch zpr av r adiov ym spojenm Transportn kan aly { rozhran fyzick e vrstvy na vrstvu MAC (a v yse) Logick e kan aly { podpora sluzeb vrstvy MAC Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 31

Komunikacn kan aly LTE Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 32

Fyzick e kan aly LTE Kan aly na downlink spojen, vybran e prklady kan aly jsou implementovan e ve specikovan em umst enm v RB OFDMA prp. na jin ych stanoven ych mstech PBCH, Physical Broadcast Channel, modulace QPSK { vysl an info pro UE o vlastnostech enb s periodou 40 ms PCFICH, Physical Control Format Indicator Channel, modulace QPSK { id form atov an OFDM symbol u v PDCCH PDCCH, Physical Downlink Control Channel { rdic zpr avy pro konkretn UE nebo skupinu UE PDSCH, Physical Downlink Shared CHannel { prenos uzivatelsk ych dat Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 33

Fyzick e kan aly LTE Kan aly na uplink spojen, vybran e prklady PUSCH, Physical Uplink Shared Channel { komplement kan alu PDSCH na uplink spoji PRACH, Physical Random Access Channel { jedin e nesynchronizovan e vysl an UE v LTE, souperen PUCCH, Physical Uplink Control Channel { komplement PDCCH na uplink spoji Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 34

Komunikacn kan aly LTE Transportn kan aly { jak se pren as mezi PHY a MAC Broadcast Channel BCH, Downlink Shared Channel DL-SCH Paging Channel PCH, Multicast Channel MCH, Uplink Shared Channel UL-SCH, Random Access Channel RACH Logick e kan aly { co se pren as, sluzby MAC pro RLC uzivatelsk a data (trac channel), rdic zpr avy (control channel) spolecn e pro vsechny (common), pro jedno UE (dedicated) prklady: Broadcast Control Channel BCCH, Paging Control Channel PCCH, Common Control Channel CCCH, Dedicated Control Channel DCCH, Multicast Control Channel MCCH, Dedicated Trac Channel DTCH, Multicast Trac Channel MTCH Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 35

Technologie LTE OFDM Principy OFDM viz predn aska o metod ach MAC Pouzv a se na DL, pro vysl an z enb k UE Vysl an bez po mnoha uzkop asmov ych nosn ych sign alech s srkou p asma 180 KHz msto toho aby se sign al rozprostrel pres cel e 5MHZ nosn e p asmo LTE OFDM pouzv a pro vysl an pren asen ych dat velk y pocet uzkop asmov ych pod-nosn ych Z akladn zdroj DL spojeni v LTE lze zn azornit jako mrzku v caso-frekvencnm zobrazen Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 36

Technologie LTE OFDM Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 37

Technologie LTE OFDMA, ilustrace prid elen DL kan al u Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 38

Technologie LTE SC-FDMA Principy SC-FDMA viz predn aska o metod ach MAC Pouzv a se na UL, pro vysl an z UE k enb jedn a se o jinak k odovanou metodu OFDM je to metoda m ene n arocn a na energii Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 39

Technologie LTE SC-FDMA, ilustrace prid elen UL kan al u Jan Staudek, FI MU Brno PA151 Soudob e ste { Bezdr atov e (mobiln, bu nkov e) telekomunikacn syst emy 40