Long Term Evolution (LTE) Opinnäytetyö Toukokuu 2012 Tietotekniikka
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ Töller, Markus Opinnäytetyö Työn ohjaaja LTE (Long Term Evolution) 30 sivua, 1 liitesivu Ari Rantala Toukokuu 2012 TIIVISTELMÄ Opinnäytetyön tarkoituksena on perehtyä LTE- (Long Term Evolution) järjestelmään. LTE on 3GPP:n (3rd Generation Partnership Project) kehittämä standardi, jonka tavoitteena on taata nopea ja toimiva matkaviestinverkko käyttäjämäärien sekä siirrettävän datan määrän ja laatuvaatimusten kasvaessa jatkuvasti. LTE käyttää downlink-suunnassa OFDMA-tekniikkaa (Orthogonal frequency division multiple access) ja uplink-suunnassa SC-FDMA-tekniikkaa (single carrier frequency division multiple access), jotta virrankulutus päätelaitteessa pysyisi pienenä. Sen verkkoarkkitehtuuri on tehty mahdollisimman litteäksi ja toimintoja on suoraviivaistettu aiempiin järjestelmiin verrattuna. Tiedonsiirtonopeuden kasvattamiseksi käytetään moniantennitekniikkaa eli MIMO:a (Multiple Input Multiple Output), jossa datavirtaa lähetetään ja vastaanotetaan yhtä aikaa useilla antenneilla. Työssä esitellään myös muutamia muita samankaltaisia järjestelmiä, kuten HSPA (High Speed Packet Access) ja WiMAX, sekä vertaillaan niitä LTEjärjestelmään. Lisäksi syvennytään LTE:n kehitystä jatkavaan LTE-Advancedjärjestelmään, jota voidaan pitää ensimmäisenä oikeana 4G-järjestelmänä. Avainsanat: long term evolution, LTE, 4G
TAMPERE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Information Technology Telecommunications Engineering Töller, Markus Thesis Thesis supervisor LTE (Long Term Evolution) 30 pages, 1 appendice Ari Rantala May 2012 ABSTRACT The purpose of this thesis was to research Long Term Evolution (LTE), which is a standard for wireless networks developed by the 3 rd Generation Partnership Project (3GPP). The main objective of LTE is to provide a fast and well functioning wireless network that evolves with the ever growing demands of mobile data users. LTE uses Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) technology in downlink but in uplink, to minimize the power consumption of the user equipment, Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC- FDMA) is used. The network has a lot of components from previous systems integrated, resulting in a flat architecture. To maximize data rates, LTE uses a technology called Multiple Input Multiple Output (MIMO), where multiple antennas are sending and receiving the same data stream simultaneously. This thesis also introduces a few other systems similar to LTE, like High Speed Packet Access (HSPA) and WiMAX. Finally we take a look at LTE-Advanced, the next step in the evolution of LTE and the first real 4G-system. Key words: long term evolution, LTE, 4G
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ ALKUSANAT Tämä työ tehtiin Tampereen Ammattikorkeakoululle. Haluan kiittää tietotekniikan koulutuspäällikköä Ari Rantalaa, joka toimi myös tämän työn ohjaajana, tuesta ja loputtomasta kärsivällisyydestä. Kiitokset myös Annikki Torikalle joka toimi opinnäytetyöpajan vetäjänä. Parempi myöhään kuin ei milloinkaan. Tampereella 11. Toukokuuta 2012
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ KÄYTETYT LYHENTEET JA TERMIT 3GPP C-Plane CDMA CP DL DwPTS enodeb EPC EPS E-UTRAN FDD GP HRPD HSS ITU MIMO MME 3rd Generation Partnership Project, usean standardointijärjestön yhteistyöorganisaatio kontrollitaso Code Division Multiple Access, koodijakokanavointi Cyclic Prefix, syklinen etuliite Downlink, eli tukiasemalta käyttäjälle kulkeva liikenne downlink pilot timeslot, erikoisalikehys E-UTRA-verkon tukiasema Evolved Packet Core, kehittynyt core-verkko Evolved Packet System, kehittynyt pakettijärjestelmä eli LTE/SAEverkko (Evolved UMTS terrestrial radio access network), UMTS:n maanpäällisen radioverkon kehittyneempi aste Frequency Division Duplex, taajuusjakoinen dupleksointi Guard Period, suojaväli High Rate Packet Data, CDMA-pohjainen tiedonsiirtotekniikka Home Subscriber Server, tilaajarekisteri International Telecommunication Union, Kansainvälinen televiestintäliitto Multiple Input Multiple Output, tekniikka jossa käytetään useita antenneja lähetykseen ja vastaanottoon yhtäaikaa Mobility Management Entity, SAE-verkon elementti
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ OFDMA P-GW PAPR QAM QoS RNC S-GW SAE SC-FDMA U-Plane UL UpPTS Orthogonal frequency division multiple access, ortogonaalinen taajuusmonikäyttötekniikka Packet Data Network Gateway, SAE-verkon elementti Peak-to-Average Power Ratio Quadrature Amplitude Modulation, modulointitekniikka, joka yhdistää vaihemodulaation ja amplitudimodulaation Quality of Service, tietoliikenteen luokittelu ja priorisointi Radio Network Controller, tukiasemaohjain Serving Gateway, SAE-verkon elementti System Architecture Evolution, synonyymi EPC:lle Single Carrier Frequency Division Multiple Access, yhden kantoaallon taajuusmonikäyttötekniikka käyttäjätaso Uplink, eli käyttäjältä tukiasemalle kulkeva liikenne Uplink Pilot Timeslot, erikoisalikehys TD-SCDMA Time Division Synchronous Code Division Multiple Access, Kiinassa käytetty vaihtoehto WCDMA-tekniikalle TDD VoIP WCDMA Time Division Duplex, aikajakoinen dupleksointi Voice over Internet Protocol, IP-puhe Wideband Code Division Multiple Access, 3G-tekniikka
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO... 1 2 LTE:N SYNTYHISTORIA... 2 2.1. Kriteerit uudelle teknologialle... 3 2.2. 3GPP:n järjestelmien kehitysvaiheet... 5 3 VERKKOARKKITEHTUURI... 6 3.1. Radioverkko... 6 3.2. core-verkko... 8 4 RADIOLIIKENNE... 11 4.1. Kehysrakenne... 12 4.2. Downlink... 13 4.3. Uplink... 15 4.4. RF-kanavat... 16 4.4.1. RF-kanavat downlink-suuntaan... 16 4.4.2. RF-kanavat uplink-suuntaan... 17 4.5. MIMO... 17 4.6. TAAJUUSKAISTAT... 18 5 VERTAILUA MUIHIN TEKNIIKOIHIN... 19 5.1. CDMA2000... 19 5.2. Wi-Fi... 20 5.3. HSPA+... 20 5.4. WiMAX... 20 6 LTE:N NYKYTILANNE JA TULEVAISUUS... 23 6.1. LTE Advanced... 23 6.1.1. Uudet toiminnot... 25 6.1.2. 4G:n radiotaajuudet... 26 7 YHTEENVETO... 27 LÄHTEET... 28 LIITTEET... 30 LIITE 1. LTE:n taajuusalueet... 30
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 1(30) 1 JOHDANTO Tämän työn tarkoituksena on perehtyä neljännen sukupolven matkaviestintekniikkaan, LTE:hen (Long Term Evolution). LTE on kehitetty GSM/EDGE ja UMTS/HSPAjärjestelmien pohjalta vastaamaan käyttäjien tarpeisiin nopeasta ja joustavasta matkaviestinverkosta. Työssä selvitetään aluksi mitkä olivat kriteerit uuden järjestelmän kehittämisessä ja mitä siltä odotettiin. Tämän jälkeen perehdytään LTE:n radioverkkotekniikkaan ja siihen liittyvään kiinteään verkkoon. Myös muita vastaavia tekniikoita otetaan esille ja verrataan niitä LTE:hen. Lopuksi selvitetään LTE:n nykyistä kehitysastetta ja käyttöä sekä katsastetaan sen tulevaisuudennäkymiä.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 2(30) 2 LTE:N SYNTYHISTORIA Ensimmäinen digitaalinen matkapuhelinverkko, GSM (global system for mobile communications), otettiin käyttöön vuonna 1991. Sitä ja muita sen aikaisia järjestelmiä, kuten CDMA (code division multiple access), alettiin myöhemmin kutsua matkaviestimien toiseksi generaatioksi (2G). Ne olivat suunniteltu pääasiassa puheen välittämiseen, langaton tiedonsiirto lisättiin näiden järjestelmien myöhemmissä kehitysasteissa. Tiedonsiirtonopeudet olivat kuitenkin hitaampia kuin kiinteät modeemiyhteydet. ITU-R:n (ITU Radiocommunication Sector) julkaisema IMT-2000- standardi loi pohjan kolmannen generaation matkaviestintekniikoille (3G). GSM- ja CDMA- leirit perustivat omat 3G-ryhmänsä, 3GPP (3rd Generation Partnership Project) ja 3GPP2, kehittämään IMT-2000-yhteensopivia tekniikoita. 3GPP kehitti WCDMA-järjestelmän (Wideband CDMA), kun taas 3GPP2:n kehittämä järjestelmä oli nimeltään CDMA2000. Näiden järjestelmien tiedonsiirtonopeudet olivat käytännössä paljon pienempiä kuin standardeissa oli määritelty, ja niitä kehiteltiin edelleen. 3GPP2 lisäsi CDMA-2000- järjestelmäänsä HRPD- (high rate package system) tekniikan ja 3GPP kehitti HSPA (high speed packet access)-järjestelmän. Nämä kaksi standardia toteuttivat 3Gvaatimukset ja ne ovat laajassa käytössä matkaviestinverkoissa. 3GPP aloitti 3G:tä seuraavan tekniikan kehittämisen marraskuussa 2004 järjestetyllä RAN- (Radio Access Network) työpajalla. Siihen osallistui 3GPP:n jäsenorganisaatioiden lisäksi operaattoreita, laitevalmistajia ja teknologiainstituutteja. Työpajan tuloksena saatiin määriteltyä vaatimukset uudelle teknologialle. Pienemmät kustannukset, kevyempi arkkitehtuuri, taajuuksien joustava käyttö, kehittyneet palvelut ja päätelaitteen järkevä virrankäyttö olivat pääkohtia joiden pohjalta uutta standardia alettiin työstämään. /9/
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 3(30) 2.1. Kriteerit uudelle teknologialle LTE:n suunnittelussa lähdettiin toteuttamaan teknologiaa, joka toimii riittävän hyvänä pohjana pitkälle tulevaisuuteen, sekä vastaa tietoteollisuuden odotuksiin. 3GPP määritteli alusta lähtien selkeitä edellytyksiä jotka uuden teknologian tuli toteuttaa. Nämä edellytykset on määritelty raportissa 3GPP TR 25.913. Tässä tärkeimmät niistä: Pakettikytkentäiset palvelut LTE keskittyy yksinomaan pakettikytkentäiseen tiedonsiirtoon eikä enää tue piirikytkentäisiä palveluja. Pakettikytkentäisyys tuo mukanaan mm. tuen VoIPpalveluille (Voice over Internet Protocol). Datansiirtonopeus Datansiirtonopeuden huippuarvoiksi määritettiin 100 Mb/s sisäänpäin ja 50 Mb/s ulospäin käytettäessä 20 Mhz spektrileveyttä. Spektrihyötysuhde Sisääntulevan datan spektrihyötysuhde eli datan siirtonopeus tietyllä taajuudella tulee olla 3-4 kertaa parempi kuin HSDPA:ssa (High-Speed Downlink Packet Access). Ulospäin menevällä datalla spektrihyötysuhde tulee olla 2-3 kertaa parempi kuin HSUPA:ssa (High-Speed Uplink Packet Access). Viive U-Plane:n eli käyttäjätason viive on maksimissaan 5 ms yhdellä käyttäjällä ja yhdellä dataväylällä. C-plane:n eli kontrollitason viive on maksimissaan 100 ms idle-tilasta aktiiviseen tilaan ja 50 ms CELL_PCH- tilasta CELL_DCH-tilaan.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 4(30) Kaistanleveys LTE suunniteltiin alusta alkaen käyttämään jopa 20 MHz kaistanleveyttä ja sen tulee tukea skaalautuvia taajuuskaistoja tätä pienemmillä kaistanleveyksillä. LTE toimii 1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz ja 20 MHz kaistanleveyksillä. Yhteensopivuus LTE:n tulee olla yhteensopiva olemassaolevien UMTS- ja GSM/EDGE- järjestelmien kanssa sekä joidenkin 3GPP:n standardeihin kuulumattomien järjestelmien kanssa, kuten WLAN, WiMAX ja CDMA2000. Näistä yhteensopivuus CDMA2000-verkkojen kanssa tuli tärkeäksi kun suurimmat CDMA-operaattorit päättivät siirtyä LTE:hen. MBMS MBMS (Multimedia broadcast multicast services) mahdollistaa tuen point-tomultipoint- lähetyksille. LTE:ssä on käytössä E-MBMS eli Enhanced MBMS. Kustannukset UMTS aiheutti verkko-operaattoreille suuria kustannuksia mutta LTE:stä odotetaan kustannustehokasta järjestelmää. Toimivuus liikenteessä LTE on optimoitu toimimaan käyttäjän liikkuessa matalissa nopeuksissa (0-15 km/h), mutta myös isompia nopeuksia tuetaan, mm. nopeissa matkustajajunissa. Duplex-tilat LTE käyttää FDD (frequency division duplex)- ja TDD (time division duplex)- dupleksointia. /1/
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 5(30) 2.2. 3GPP:n järjestelmien kehitysvaiheet 3GPP:n matkaviestinjärjestelmien standardit on esitelty eri julkaisuissa (releases). Jokainen julkaisu sisältää satoja teknisiä dokumentteja joista on useita eri revisioita. Ensimmäinen 3G-verkko (UMTS-verkko) määriteltiin Release 99- julkaisussa vuonna 2000. Se määritteli lisäksi CDMA-ilmarajapinnan. Release 4 lisäsi 3G-verkkoihin ominaisuuksia ja määritteli muunmuassa kokonaan ip-pohjaisen core-verkon. Release 5 ja 6 esittelivät HSDPA:n ja HSUPA:n. Release 7 määritteli HSPA+-järjestelmän sekä keskittyi viiveen pienentämiseen, QoS:n parantamiseen ja reaaliaikaisiin sovelluksiin kuten VoIP:iin. LTE-järjestelmä määriteltiin ensimmäistä kertaa vuonna 2008 julkaistussa Release 8- julkaisussa. Siinä esiteltiin myös SAE-verkkoarkkitehtuuri, johon perustuu LTE:n kiinteä verkko. Release 9:ssä lisättiin toimintoja LTE:hen ja määriteltiin LTE:n ja WiMAXin välinen yhteensopivuus. Release 10 julkaistiin 2011 ja siinä määriteltiin LTE:n kehitystä jatkava LTE-Advanced-verkko. /20/
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 6(30) 3 VERKKOARKKITEHTUURI LTE-verkkoarkkitehtuuri on suunniteltu ottamaan huomioon mm. lisääntynyt datansiirtonopeus sekä pakettikytkentäinen liikenne. Koska LTE:n mahdollistamat huippunopeudet on kyettävä välittämään myös verkon loppuosassa, on tätä varten kehitetty ratkaisuksi core-verkko SAE (System Architecture Evolution), joka toimii tasapuolisena parina radiorajapinnan kanssa. SAE:ta kutsutaan myös nimityksellä EPC (Evolved Packet Core). LTE/SAE-järjestelmä muodostaa kehittyneen pakettijärjestelmän EPS:n (Evolved Packet System). Kuvassa 1 on yleistasoinen esitys EPS-järjestelmästä. /3/ KUVA 1. EPS-järjestelmä /18/ LTE ja SAE on määritelty täydellisesti ensimmäisen kerran 3GPP:n standardijulkaisussa Release 8. Se on ollut valmiina jo jonkin aikaa muodossa, jonka pohjalta käytännön LTE/SAE-verkkoja voidaan rakentaa. Release 8 -standardi jäädytettiin vuonna 2008. Sen jälkeen on jäädytetty myös lisää toiminnallisuutta tuovat Release 9 ja uusimpana LTE-Advanced-järjestelmä Release 10 -standardissa. /3/ 3.1. Radioverkko LTE-verkko tarkoittaa nimenomaan pitkän aikavälin 3GPP-radioverkkoa, joten se voidaan tulkita synonyymiksi E-UTRAN-verkolle (Evolved UMTS terrestrial radio
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 7(30) access network) eli UMTS:n maanpäälliselle radioverkolle, johon on määritetty uusia ominaisuuksia. Verkkoelementtien rakennetta on selkeytetty aikaisemmista järjestelmistä ja radioverkossa on jäljellä vain yksi elementti enodeb, joka vastaa nykyisten 3Gverkkojen NodeB:n koko määrittelyä. Kuvassa 2 on esitelty verkkoarkkitehtuurin kehitystä yksinkertaisempaan suuntaan 3GPP:n järjestelmissä. LTE:ssä ei ole enää erillistä sisäistä tukiasemaohjainta kuten 3G-verkon RNC (Radio Network Controller) ja 2G-verkon BSC (Base Station Controller), vaan sen toiminnot on integroitu enodeb:hen. KUVA 2: 3GPP-järjestelmien verkkoarkkitehtuurin kehitys /3/ Kaikki radioverkon verkkoliitännät on toteutettu IP-protokollalla. enode-b:t ovat yhteydessä toisiinsa X2-rajapinnan välityksellä ja SAE-verkon MME/S-GWelementteihin S1-rajapinnan välityksellä (kuva 3). /1,2,3,6/
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 8(30) KUVA 3. LTE-verkon verkkoarkkitehtuuri /19/ 3.2. core-verkko Kiinteän SAE-tyyppisen core-verkon eli EPC:n (evolved packet core) keskeiset osat ovat liikkuvuudenhallintaelementti MME (mobility management entity), S-GW (serving gateway) ja P-GW (packet data network gateway). /6/ MME on tarkoitettu ainoastaan ohjaustiedon hallintaan ja käsittelyyn. Se on siten yhteydessä tukiasemiin ohjaustason kautta. Se myös huolehtii LTE-päätelaitteen signaloinnista esimerkiksi HSS:n (Home Subscriber Server) eli tilaajarekisterin kanssa. MME signaloi myös S-GW-elementin kanssa datayhteyden muodostamiseksi. MME:n tärkeimpiä tehtäviä ovat: /6/ Merkinanto puheluiden muodostamiseen, ylläpitoon ja lopetukseen. Tästä tiedonvälitysympäristöstä käytetään nimitystä Non-Access Stratum (NAS). Puheluiden alustukseen kuuluu myö LTE-päätelaitteen kutsuminen seurantaalueen eli TA:n (Tracking Area) kautta, missä LTE-päätelaite on viimeksi ilmoittautunut verkolle. Signalointi- ja datayhteyksien suojaus sekä salaus
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 9(30) /6/ S-GW ja P-GW-elementtien valinta datayhteyksien välitykseen sekä siihen liittyvä datayhteyksien alustus ja ylläpito. Kanavanvaihto siinä tapauksessa, että yhteys ulottuu kahden erillisen MMEelementin yli. SSGN-elementin valinta, jos kanavanvaihto tapahtuu LTE-verkosta 2G/3Gverkkoon. Liikkuvuuden hallintaan liittyvä signalointi, myös LTE- ja 2G/3G-verkkojen välillä. Kansainvälinen puhelun välitys verkkojen välillä eli roaming. Seuranta-aluelistojen ylläpito. Käyttäjän tunnistus. S-GW on yhdyskäytävä, joka huolehtii varsinaisista datayhteyksistä tukiaseman ja P- GW:n välillä. S-GW ja P-GW voivat olla integroituna samaan laitteeseen. S-GW:n tärkeimpiä tehtäviä ovat: Toimii paikallisena ankkuripisteenä tukiasemien välisessä kanavanvaihdossa samoin kuin LTE:n ja GPP:n mukaisen 2G/3G-verkon välisessä kanavanvaihdossa. S-GW-elementin kautta voidaan aktivoida yhteydenseurauselementti LI (Legal Interception) viranomaisten liikenteenseurantaa varten. Pakettien reititys ja lähetys eteenpäin. S-GW on tässä suhteessa eräänlainen älykäs reititin. Se hallitsee tarvittaessa myös IP-pakettien puskoroinnin esimerkiksi siinä vaiheessa, kun datayhteyttä vielä alustetaan LTE-päätelaitteen ollessa idle-tilassa. Datapuhelun alustukseen liittyen S-GW hallitsee myös verkosta alkavan yhteyden alustuksen. Laskutustietojen keräys (CDR, Charging Data Record) /6/ P-GW-elementti kytkee S-GW:lta tulevan yhteyden SAE:n ulkopuoliseen pakettidataverkkoon. Kytkentätoimintojen lisäksi P-GW sisältää 2G/3G-verkoista tutut GPRS-toiminnot. P-GW:n tärkeimpiä tehtäviä ovat: LTE-päätelaitteen IP-osoitteen jako (yhteyskohtaisesti)
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 10(30) /6/ Pakettien tutkinta ja suodatus (DPI, Deep Packet Inspection), jonka mukaisesti P-GW voi määrittää, kuinka paketteja käsitellään esimerkiksi laatuluokitusten suhteen. Tämä voidaan tehdä käyttäjäkohtaisesti. LI, samoin S-GW:ssä Laskutuksen variointi molemmissa siirtosuunnissa riippuen palvelun tasosta. Prepaid-liittymien laskutuksenvalvonta. Kuvassa 4 on havainnekuva LTE/SAE-verkosta ja sen yhdistämisestä muihin matkaviestinverkkoihin kuten GSM:n tai UMTS:n kiinteään verkkoon. KUVA 4. LTE/SAE-verkko ja sen yhdistäminen muihin verkkoihin
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 11(30) 4 RADIOLIIKENNE LTE:ssä käytettäväksi teknologiaksi valittiin kappaleessa 2 mainittujen vaatimusten perusteella downlink-suuntaan OFDMA (Orthogonal frequency division multiple access) ja uplink-suuntaan SC-FDMA (single carrier frequency division multiple access). /1/ Nykyään monessa muussakin järjestelmässä käytettävä OFDMA valittiin tehokkaan mobiililaajakaistansa ja vastaanottimen järjestelmäarkkitehtuurinsa ansiosta. Huonona puolena OFDMA:ssa voidaan pitää sen radiosignaalin korkeita huippuja jotka tuovat omat haasteensa vahvistinsuunnittelulle. Uplinkissä käytettynä tämä olisi tehnyt päätelaitteiden vahvistimista liian monimutkaisia ja kalliita, jonka takia OFDMA:n sijasta uplink-suuntaan valittiin käytettäväksi SC-FDMA. SC-FDMA:n etuna on parempi PAPR-arvo (Peak-to-Average Power Ratio), joka mahdollistaa laajemman peittoalueen uplink-suunnassa ja kustannustehokkaan tavan toteuttaa päätelaitteen tehovahvistin. SC-FDMA- ja OFDMA- tekniikoilla on kuitenkin riittävästi yhteisiä ominaisuuksia signaalin prosessoinnin kannalta, joten molempien linkkisuuntien parametrit on voitu yhtenäistää. /1,4/ LTE tukee sekä taajuusjakoista FDD-tekniikkaa (Frequency Division Duplex) että aikajakoista TDD-tekniikkaa (Time Division Duplex). FDD-tilassa lähetykset ylä- ja alalinkkien suuntiin tapahtuvat eri taajuusalueilla, kun taas TDD-tilassa käytetään erillisiä aikavälejä molempiin suuntiin. Kumpaakin duplex-muotoa voidaan käyttää joustavasti siten, että kokonaistaajuusalue on mahdollista määrittää 1,4 20 megahertsin välillä. Kaistanleveydestä ja muista ominaisuuksista kuten järjestelmän MIMOrakenteesta ja modulaatioasteesta riippuen LTE:n suurin teoreettinen datansiirtonopeus on alaspäin noin 300 ja ylöspäin noin 75 megabittiä sekunnissa. /4/ Joustavan kaistanleveyden ansiosta LTE:tä voidaan käyttää monenlaisissa ympäristöissä. Pienimmät kaistanleveydet käyvät tilanteisiin, joissa operaattorilla ei ole tarjota laajaa kaistaa esimerkiksi muiden kaistalla olevien järjestelmien vuoksi. /4/
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 12(30) 4.1. Kehysrakenne LTE:ssä tieto siirretään sekä downlink- että uplink-suuntaan jatkuvana sarjana radiokehysten avulla, jotka ovat kestoltaan 10 millisekuntia. Kehyksiä on kaksi erilaista; tyypin 1 kehysrakennetta käytetään FDD-tilassa ja tyypin 2 kehysrakennetta TDDtilassa. Tyypin 1 kehysrakenteessa 10 millisekunnin kestoinen radiokehys on jaettu tasaisin välein 20 aikaväliin (time slot) jotka ovat siis kestoltaan 0,5 ms. Kaksi tällaista aikaväliä muodostaa yhden alikehyksen, joten yhdessä radiokehyksessä on 10 alikehystä. Tyypin 1 kehysrakenne on esitetty kuvassa 5 (T s = 32,55 nanosekuntia joka vastaa 30,72 MHZ kellotaajuutta). /1/ Radiokehys, T f = 307200 * T s = 10 ms Aikaväli, T slot = 15360 * T s = 0,5 ms #0 #1 #2 #3 #18 #19 Alikehys KUVA 5. FDD-tilassa käytettävä tyypin 1 kehysrakenne Tyypin 2 kehysrakenteessa, joka on esitelty kuvassa 6, 10 millisekunnin kestoinen radiokehys on jaettu kahtia 5 ms puolikkaisiin. Kummassakin puolikehyksessä on viisi 1 millisekunnin kestoista alikehystä. Kaikki alikehykset, jotka eivät ole erikoisalikehyksiä, on jaettu kahteen 0,5 millisekunnin aikaväliin. Erikoisalikehykset koostuvat kolmesta kentästä; DwPTS (downlink pilot timeslot), suojaväli (GP, guard period) ja UpPTS (uplink pilot timeslot). Nämä termit tulevat TD- SCDMA-tekniikasta ja ne on säilytetty edelleen LTE:ssä. DwPTS:ää ja UpPTS:ää käytetään datan lähetykseen ja ohjaussignaaleihin, suojaväli mahdollistaa lähetyssuunnan vaihtamisen downlinkin ja uplinkin välillä. /1/
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 13(30) Radiokehys, T f = 307200 * T s = 10 ms Puolikehys, 153600 * T s = 5 ms Aikaväli, T slot = 15360 * T s 30720 * T s Alikehys #0 Alikehys #2 Alikehys #3 Alikehys #4 Alikehys #5 Alikehys #7 Alikehys #8 Alikehys #9 Alikehys DwPTS GP UpPTS DwPTS GP UpPTS KUVA 6. TDD-tilassa käytettävä tyypin 2 kehysrakenne 4.2. Downlink OFDMA:ssa lähetyksen taajuusalue on jaettu tasaisin välein alikantoaaltoihin, joita voidaan moduloida yksitellen. Alikantoaaltojen ortogonaalisuus on saavutettu jaottamalla ne kuvan 7 mukaisesti (kuvassa käytetty esimerkkinä 5 MHz kaistanleveyttä mutta sama periaate toimii myös matalammilla ja korkeammilla kaistanleveyksillä). Jokaisen alikantoaallon keskikohdassa sen viereiset alikantoaallot saavuttavat nollakohdan sin(x)/x spektrissä. Tämä ominaisuus tulee siitä tavasta, jolla OFDMA:n signaali luodaan: alikantoaallot muunnetaan aikatasolle käyttämällä käänteistä diskreettiä Fourier-muunnosta (IDFT, Inverse Discrete Fourier Transform). Tyypillisesti tämä toteutetaan käänteisellä nopealla Fourier-muunnoksella (IFFT, Inverse Fast Fourier Transform). Moduloidut datasymbolit muunnetaan aikatasolle OFDMsymboleiksi. Signaalin vastaanottava laite suorittaa FFT-muunnoksen (Fast Fourier Transform), jolla symbolit muunnetaan aikatasolta taajuustasolle jotta alikantoaallot ja niiden sisältämä data saadaan erotettua. /1/
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 14(30) KUVA 7: OFDMA:n toimintaperiaate /7/ Aikatasolla lähetettävät OFDM-symbolit on erotettu toisistaan suojaväleillä, jotka suojaavat symboleita häiriöiltä. Nämä suojavälit, tai suojajaksot, vähentävät myös herkkyyttä radiokanavan viiveille. Suojaväli toteutetaan LTE:ssä käyttämällä syklistä etuliitettä (CP, cyclic prefix), eli jokaista OFDM-symbolia edeltää saman symbolin loppuosa. /1/ Kuvassa 8 on esitetty LTE:n downlinkin resurssiruudukko. X-akseli esittää OFDMsymbolit aikatasolla ja y-akseli apukantoaallot taajuustasolla. Resurssielementti muodostuu yhden OFDM-symbolin ja yhden apukantoaallon kombinaatiosta. LTE:ssä apukantoaallot on jaoteltu tasaisiin 15 khz väleihin. 12 vierekkäistä apukantoaaltoa, jotka vastaavat 180 khz taajuutta, sekä yksi aikaväli, muodostavat resurssilohkon. Resurssilohko on pienin kokonaisuus joka voidaan aikatauluttaa taajuustasolla (downlink- sekä uplink-suuntaan), eli yksi päätelaite ei voi lähettää tai vastaanottaa vähempää kuin yhden resurssilohkon kerrallaan. /1/
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 15(30) 1 alikehys = 1 ms = 14 OFDM-symbolia 1 aikaväli = 0,5 ms = 7 OFDM-symbolia Resurssielementti Resurssilohko (12 alikantoaaltoa taajuustasossa, 1 aikaväli aikatasossa) Alikantoaallot OFDM-symbolit KUVA 8. Downlink-suunnan resurssiruudukko 4.3. Uplink LTE:n uplink-suuntaan eli käyttäjältä tukiasemalle tapahtuvassa liikenteessä käytetään SC-FDMA-teknologiaa. Sitä voidaan kuvailla etukäteen koodatuksi OFDM-
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 16(30) järjestelmäksi. SC-FDMA:ssa moduloiduille datasymboleille tehdään ensin DFToperaatio ja sen jälkeen IDFT-operaatio. Tästä saadaan se hyöty, että signaalin PAPRarvo (peak-to-average power ratio) pienenee huomattavasti. Pienempi PAPR-arvo parantaa päätelaitteen vahvistimen tehosuhdetta ja johtaa parempaan peittoalueeseen. /1/ SC-FDMA:n signaalin generointi on hyvin samanlaista kuin OFDM(A):ssa joten sen parametrit ovat myös samankaltaiset. Kehysrakenne on molemmissa teknologioissa samanlainen, samoin resurssiruudukko. Erona on se, että uplink-suunnassa päätelaitteen on käytettävä lähetyksen ajan peräkkäisiä lohkoja taajuustasossa. /1, 4/ 4.4. RF-kanavat Yksi LTE:n suunnittelun lähtökohdista oli kevyempi protokolla-arkkitehtuuri, jossa on vähemmän siirto- ja loogisia kanavia. Tämä vaikuttaa myös fyysisiin kanaviin; LTE:ssä on vähemmän fyysisiä kanavia kuin WCDMA:ssa. Kanavat on suunniteltu nimenomaan pakettimuotoista dataa silmälläpitäen, jonka siirtäminen pohjautuu jaettuihin kanaviin uplinkissä ja downlinkissä. /1/ 4.4.1. RF-kanavat downlink-suuntaan PBCH (Physical Broadcast Channel o Fyysinen yleislähetekanava, tarjoaa informaatiota kun LTE-laite etsii sopivaa solua. PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) o Käyttäjän data siirretään tällä kanavalla downlink-suuntaan. PDCCH (Physical Downlink Control Channel) o Välittää mm. datansiirron ajoitukset, jotta mobiililaite voi vastaanottaa ja lähettää dataa muiden käyttäjien ohella. PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel) o Tämän kanavan kautta saadaan päätelaitteelle tieto kullakin alikehyksellä tälle kyseiselle päätelaitteelle tarkoitetuista OFDM-symboleista.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 17(30) /4/ PHICH (Physical Hybrid ARQ Indicator Channel) o Välittää downlink-suunnassa vahvistuksen uplinkin kautta perille menneestä tai vastaanottamatta jääneestä datalohkosta. Modulaationa käytetään BPSK:ta (Binary Phase Shift Keying). PMCH (Physical Multicast Channel) o Siirtää nimensä mukaisesti multicast-viestejä. Ne koostuvat usean tukiaseman viesteistä liittyen Multicast Broadcast SFN-konseptiin. 4.4.2. RF-kanavat uplink-suuntaan /4/ PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) o Käyttäjän data siirretään tällä kanavalla uplink-suuntaan. PUCCH (Physical Uplink Control Channel) o Datansiirron merkinanto uplink-suuntaan. Käytetään silloin, kun alikehyksessä ei ole juuri sillä hetkellä kyseisen käyttäjän aktiivista datansiirtoa. PRACH (Physical Random Access Channel) o Kun päätelaite on aloittamassa uutta datansiirtoa eikä kanavaresursseja ole vielä valittu, pääte lähettää ensimmäisenä viestin randomperiaatteella tällä kanavalla. 4.5. MIMO MIMO-antennitekniikka (Multiple input multiple output) on keskeinen tekijä LTE:n downlink-tekniikassa. Se on ainoa tapa täyttää kunnianhimoiset vaatimukset tehokkuudelle ja tiedonsiirtonopeudelle. LTE:ssä käytetään eri MIMO-konfiguraatioita riippuen kanavien ja päätelaitteen ominaisuuksista sekä tiedonsiirtonopeuden vaatimuksista. Peruskokoonpano on 2x2, eli kaksi lähettävää antennia tukiasemassa ja kaksi vastaanottavaa antennia päätelaitteessa. LTE tukee myös 4x4-kokoonpanoa. /1,8/
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 18(30) MIMO:ssa tiedonsiirtonopeuden maksimointiin käytetään Spatial Multiplexingtekniikkaa, jossa lähetetään samanaikaisesti eri datavirtoja saman resurssilohkon sisällä. Nämä datavirrat voivat kuulua yhdelle käyttäjälle (single user MIMO / SU-MIMO) tai usealle käyttäjälle (multi user MIMO / MU-MIMO). SU-MIMO nostaa yhden käyttäjän tiedonsiirtonopeutta ja MU-MIMO parantaa vastaavasti solun kapasiteettia. Spatial multiplexing-tekniikkaa voidaan käyttää vain jos radiokanavan olosuhteet tukevat sitä. /8/ 4.6. TAAJUUSKAISTAT Ensimmäisiä LTE-käyttöönottoja on tehty 900 megahertsin taajuusalueella esimerkiksi Ruotsissa. Globaalitasolla loogisimmat taajuusalueet ensimmäisiin LTE-verkkojen toteutuksiin ovat 2100 megahertsin taajuusalue sekä yhdistetty 1700/2100 megahertsin taajuusalue. /17/ Nykyisiin 3G-verkkoihin verrattuna LTE tuo lisää kapasiteettia, pienemmän viiveen sekä suuremmat datansiirtonopeudet. Loogisimmat taajuusalueet näiden ominaisuuksien toteutukseen olisivat 900 megahertsin alue, joka tarjoaa laajat peittoalueet, sekä 2,5-2,6 gigahertsin alue, joka taas tarjoaa suuren kapasiteetin. Liitteessä 1 on lueteltu kaikki tähän mennessä määritetyt taajuusalueet ja kaistat, eriteltyinä FDD- ja TDD-moodeille sekä todennäköiset taajuusalueet eri maanosissa. /17/
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 19(30) 5 VERTAILUA MUIHIN TEKNIIKOIHIN LTE on luonnollinen jatke GSM/UMTS-verkoille mutta myös monet CDMA:ta käyttäneet operaattorit ovat siirtyneet LTE:hen ja siitä odotetaankin ensimmäistä maailmanlaajuista matkaviestinstandardia. Kilpailevia tekniikoita kuitenkin on kehitelty ja tässä luvussa perehdytään niihin. 5.1. CDMA2000 CDMA2000-verkkoperhe on ryhmä 3G-mobiiliteknologiastandardeja jotka perustuvat CDMA- (Code Division Multiple Access) tekniikkaan. Pääasiassa käytössä ovat 1xRTT (One Times Radio Transmission Technology) ja 1xEV-DO (One Carrier-Evolved, Data-Optimized) versiot. /10/ 1xRTT on laajimmalle levinnyt CDMA2000-versio. Se toimii 1.25 MHz taajuudella ja kykenee 153 kb/s tiedonsiirtonopeuteen. EV-DO on kehittyneempi versio CDMA2000:sta, siitä on tehty useita revisioita joista käytössä ovat olleet Release 0 ja Revision A- revisiot. Release 0- verkoilla on saavutettu tyypillisesti 400-700 kb/s nopeuksia ja Revision A- verkoilla 600-1400 kb/s nopeuksia. /10/ CDMA2000:n ongelmana on se, että operaattorit eivät saa yhtä aikaa käyttöön koko taajuusspektriä puheen ja datansiirron käyttöön. EV-DO ei sovellu piirikytkentäiselle puheelle ja 1xRTT-kanavat eivät pysty korkeisiin tiedonsiirtonopeuksiin. Kun radiokanavat jaetaan näiden tekniikoiden kesken, osa spektristä jää käyttämättä. /10/ 3GPP2 kehitteli EV-DO:a seuraavaksi tekniikaksi OFDM-pohjaisen UMB:n (Ultra Mobile Broadband) joka ominaisuuksiltaan kilpaili LTE:n kanssa. Tämän järjestelmän kehitys on kuitenkin lakkautettu kaupallisen tuen puuttuessa ja monet CDMA2000- operaattorit, kuten Verizon, ovat siirtyneet käyttämään LTE:tä. /10/
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 20(30) 5.2. Wi-Fi Wi-Fi- eli IEEE 802.11- järjestelmät ovat laajassa käytössä WLAN- (Wireless Local Area Network) verkoissa. Uusin standardi, 802.11n käyttää MIMO-teknologiaa ja tarjoaa maksimissaan 600 Mbit/s tiedonsiirtonopeutta 40 MHz taajuudella. Wi-Fijärjestelmän kantomatka on 802.11n-standardissa ulkotiloissa 250m ja tukipisteiden välillä liikkuminen on hankalaa, joten se ei laajassa käytössä kilpaile LTE:n kanssa mutta soveltuu hyvin WLAN-verkkoihin. /10/ 5.3. HSPA+ HSPA on 3GPP:n standardoima laajalle levinnyt 3G-teknologia, jonka pohjalta LTE:tä lähdettiin suunnittelemaan. Se käyttää CDMA-tekniikkaa ja tarjoaa tiedonsiirrossa 14 Mbit/s maksiminopeutta downlink-suuntaan ja 5,76 Mbit/s uplink-suuntaan. HSPA:sta julkaistiin kehittyneempi versio Evolved HSPA eli HSPA+ 3GPP:n standardijulkaisussa Release 7. HSPA+:ssa käytetään MIMO-tekniikkaa sekä 64QAM-modulaatiota LTE:n tapaan ja se tarjoaa maksimissaan 168 Mbit/s tiedonsiirtonopeuksia downlink-suuntaan ja 22 Mbit/s uplink-suuntaan. Nämä nopeudet toteutuvat kuitenkin vain äärimmäisen hyvissä olosuhteissa ja käytettäessä yhtäaikaa MIMO-tekniikkaa sekä Dual Cell HDSPA-tekniikkaa, jossa useita soluja voidaan yhdistää. /10/ HSPA+ tarjoaa operaattoreille halvan vaihtoehdon parantaa olemassaolevaa HSPAverkkoa nopeammaksi, ilman että niiden tarvitsee vaihtaa LTE:n käyttämään OFDMradiorajapintaan. LTE on kuitenkin tiedonsiirto-ominaisuuksiltaan ja pitkän aikavälin ratkaisuna selvästi parempi vaihtoehto joten HSPA+ ei varsinaisesti kilpaile sen kanssa vaan on enemmänkin välivaiheen ratkaisu. 5.4. WiMAX WiMAX on noussut potentiaaliseksi vaihtoehdoksi nykyisille matkapuhelinverkoille. Sen ensimmäinen spesifikaatio, IEEE 802.16, valmistui jo vuonna 2001. Se oli
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 21(30) alunperin tarkoitettu vain kiinteisiin point-to-point yhteyksiin eikä tarjonnut liikkuvuutta. Vuonna 2005 julkistettiin IEEE 802.16-2005- standardi, joka tunnetaan myös nimellä Mobile WiMAX. Se tarjosi OFDM-pohjaisen mobiilin laajakaistatekniikan sekä solunvaihdot tukiasemien ja operaattoreiden välillä. /10/ WiMAX-release 1-standardin mukaisia verkkoja alettiin rakentaa vuonna 2009. Standardissa käytetään 2x2 MIMO-tekniikkaa, 10 MHz kaistanleveyttä ja TDDdupleksointia. Tiedonsiirtonopeus downlink-suuntaan on 37 Mbit/s ja uplink-suuntaan 17 Mbit/s. Release 1.5 (IEEE 802.16-2009) nosti kaistanleveyttä 20 megahertsiin, paransi tiedonsiirtonopeuksia sekä toi FDD-dupleksoinnin vaihtoehdoksi TDD:lle. /11/ Uusin WiMAX-standardi, IEEE 802.15m eli WiMAX rel 2, valmistui huhtikuussa 2010. Se toi mukanaan 4x4 MIMO-tekniikan, pienemmän viiveen (<10 ms) ja korkeamman tiedonsiirtonopeuden. Huipputiedonsiirtonopeus käytettäessä FDDdupleksointia ja 2x20 MHz kaistanleveyttä 4x4 MIMO-konfiguraatiolla on downlinksuuntaan 365 Mb/s ja uplink-suuntaan 376 Mb/s. /11/ WiMAX on tekniikaltaan hyvin samankaltainen kuin LTE, suurimpina eroina on LTE:n upload-suunnassa käyttämä SC-FDMA-tekniikka, kun WiMAXissa käytetään OFDMApohjaista tekniikaa kumpaankin suuntaan. Tämä mahdollistaa pienemmän virrankulutuksen päätelaitteessa LTE:n eduksi. Kehysten kesto ja viive ovat LTE:ssä myös pienemmät kuin WiMAXissa. Taulukossa 1 on vertailtu tarkemmin näitä kahta tekniikkaa. /16/
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 22(30) LTE WiMAX rel 1.5 Duplex-tekniikka FDD ja TDD FDD ja TDD Kanavan kaistanleveys 20 MHz asti 20 MHz asti Modulointi 64 QAM 64 QAM Downlink OFDMA OFDMA Uplink SC-FDMA OFDMA Antennitekniikat MIMO (4x4 asti) MIMO (4x4 asti) Kehysten kesto 1 ms 5 ms Viive 10 ms 50 ms Mobiliteetti 350 km/h asti 120 km/h asti TAULUKKO 1: LTE ja WiMAX WiMAXia pidettiin langattomassa viestinnässä kovana haastajana 3G-teknologialle ja LTE:lle. Amerikkalaisoperaattori Sprint teki jo vuonna 2006 päätöksen rakentaa koko Yhdysvaltoja kattavan WiMAX-verkon. Verkon ensimmäinen osa avattiin kuitenkin Baltimoressa vasta vuonna 2008 eikä se tarjonnut hinnoiltaan tai palveluiltaan mitään etua olemassaoleviin 3G-verkkoihin verrattuna. Myös LTE:n nopea kehitys on vähentänyt kiinnostusta WiMAXiin matkapuhelinteknologiana. WiMAX on edelleen teknisiltä ominaisuuksiltaan vaihtoehto 4G-matkaviestinverkoksi, mutta se soveltuu myös hyvin WLAN- ja MAN (Metropolitan Area Network)- verkkoihin hyvän kantomatkansa ansiosta. WiMAXin teoreettinen kantomatka on 25 km mutta käytännössä 10 km ylittäminen on epävarmaa ja yli 2 km etäisyys vaatii suoran näköyhteyden tukiasemaan. Tämä on kuitenkin selvästi parempi kuin esimerkiksi Wi- Fi:llä. /12,13/ Suomessa Datame Oy rakentaa WiMAX-pohjaista 4G-verkkoa, jonka tavoitteena on 70% kattavuus Suomen väestöstä vuoteen 2015 mennessä. Datame Oy:n verkko käyttää 2,57 GHz 2,62 GHz taajuusaluetta. /15/
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 23(30) 6 LTE:N NYKYTILANNE JA TULEVAISUUS Ensimmäiset LTE-verkot otettiin käyttöön TeliaSoneran toimesta Oslossa ja Tukholmassa 14.12.2009. Sen jälkeen LTE-verkkoja on rakennettu ympäri maailmaa ja monet GSM- ja HSPA- operaattorit ovat siirtyneet tai ovat siirtymässä LTEtekniikkaan. LTE-verkkoja mainostetaan 4G-tekniikalla mutta nykyiset Release 8- tai Release 9- pohjaiset verkot eivät vielä täysin täytä 4G-kriteerejä. LTE:n seuraaja LTE Advanced täyttää nämä vaatimukset. 6.1. LTE Advanced Ensimmäistä eli Release 8:n mukaista LTE-järjestelmää on luonnehdittu termein 3G:n jälkeinen (beyond 3G), esi-4g (pre-4g) tai 3.9G. Nykyisiä Release 8- tai Release 9- pohjaisia LTE-verkkoja mainostetaan 4G-tekniikalla mutta ne eivät vielä täysin täytä ITU-R:n (ITU Radiocommunication Sector) asettamia 4G-kriteerejä. 3GPP:n release 10- standardi jäädytettiin maaliskuussa 2011 ja siinä määriteltiin LTE:n kehittyneempi versio, LTE Advanced. Se täyttää kaikki ITU-R:n alkuperäiset vaatimukset neljännen sukupolven matkaviestin- eli 4G- järjestelmäksi. /17/ LTE-Advanced on haluttu pitää nimenomaan jatkokehityksenä Release 8:n mukaiselle LTE-järjestelmälle. Siksi kaikki määritykset jotka on aiemmin tehty LTE:lle, ovat voimassa myös LTE-Advanced:lle. Lisäksi 3GPP on halunnut korostaa, että LTE-Ajärjestelmän odotetaan ylittävän reilusti ITU:n IMT-Advanced-vaatimukset annetussa aikataulussa. Tärkeimpiä vaatimuksia IMT-Advanced-määritelmän mukaiselle järjestelmälle ovat: /17/ Huipputiedonsiirtonopeus 1 Gb/s downlink-suuntaan ja 500 Mb/s uplinksuuntaan. Spektritehokkuus kolminkertainen Release 8-julkaisun mukaiseen LTEverkkoon nähden. Spektritehokkuuden huippuarvo 30 b/s Hz downlinkissä ja 15 b/s Hz uplinkissä.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 24(30) Taulukossa 2 on esitelty tärkeimpiä suorituskykyyn liittyviä määritteitä verrattaessa 3GPP:n 3G- ja 4G-järjestelmien ominaisuuksia. Taulukosta nähdään, että tiedonsiirtonopeuden huippuarvot ovat nousseet, kun samalla viiveet ovat lyhentyneet. /17/ Merkinannon kautta on tuettava vähintään 300 samanaikaista käyttäjää 5 megahertsin kaistaa kohden. Järjestelmän on tuettava päätelaitteen liikkumista vähintään 350 km/h ja mahdollisesti 500 km/h nopeuteen asti. Kaistanleveyden tulee olla skaalautuva. Tilamuutoksen viivearvo alle 50 ms siirryttäessä idle-tilasta connected-tilaan. Connected-tilassa yksittäisen paketin siirron viive alle 5 ms. Kapasiteetti (throughput) solun reunalla vähintään kaksinkertainen LTEjärjestelmään verrattuna, ja solun peittoalueella vähintään kolminkertainen. Liikkumisen aikana suorituskyvyn tulee olla vähintään yhtä hyvä kuin LTEverkossa. LTE-A-verkon on oltava yhteensopiva LTE-järjestelmän sekä aiempien 3GPP:n verkkojen kanssa. /17/ Järjestelmä 3GPP Release Suurin downlinknopeus Suurin uplink-nopeus RTT-viive (Round Trip Time) WCDMA 99 ja 4 384 kb/s 128 kb/s 150 ms HSPA 5 ja 6 14 Mb/s 5,7 Mb/s 100 ms HSPA+ 7 28 Mb/s 11 Mb/s 50 ms LTE 8 ja 9 100 Mb/s 50 Mb/s 10 ms LTE-A 10 1 Gb/s 500 Mb/s 5 ms TAULUKKO 2: 3GPP:n julkaisujen tärkeimpiä ominaisuuksia datansiirrossa /17/
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 25(30) 6.1.1. Uudet toiminnot LTE-Advanced sisältää joukon uusia toimintoja ja ominaisuuksia, tärkeimpänä moniaalto-konsepti (multi-carrier), joka mahdollistaa usean, maksimissaan 20 megahertsin taajuuskaistan yhdistämisen samalle yhteydelle. Tämä tarjoaa siis maksimissaan 100 megahertsin kaistan, joskin käytännön verkko- ja päätelaitteet tuskin tukevat täyttä kaistaa heti alkuvaiheesta lukien. /17/ Muita uusia toimintoja on esitelty 3GPP:n teknisessä raportissa TR 36.912. Kaikkia niitä ei tarvitse tai ole mahdollistakaan ottaa mukaan verkon tai päätelaitteiden toteutukseen. Raportissa mainitaan mm. Itseoptimoituva verkko eli SON (self optimizing network). Joustava spektrinkäyttö eli esimerkiksi dynaaminen taajuuskaistojen valinta, jossa kapasiteettia voidaan jakaa vaikkapa vuorokaudenaikojen mukaan eri järjestelmille. Taajuuslohkojen jakaminen siten, että ne voivat olla taajuustasossa joko peräkkäisiä tai epäyhtenäisiä. Taajuuskaistan skaalautuvuus 20 ja 100 megahertsin välillä. OFDMA:n ja SC-FDMA:n yhdistelmän käyttö uplink-suunnassa. /17/ LTE-Advanced-järjestelmä voisi käyttää määritysten mukaan jopa MIMO 8x8- konfiguraatiota sekä 128 QAM-modulaatiota. Näiden yhdistelmä voisi teoriassa tuoda 100 megahertsin kaistalla yksittäisen käyttäjän huipputiedonsiirtonopeudeksi 3 Gb/s downlink-suuntaan. /17/ Uusista toiminnoista huolimatta LTE-Advanced-järjestelmän tulee olla edelleen yhteensopiva aiemman LTE-järjestelmän kanssa. 3GPP on valinnut tämän periaatteen siksi, että verkkojen kehitys olisi käyttäjän kannalta mahdollisimman juohevaa. /17/
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 26(30) 6.1.2. 4G:n radiotaajuudet LTE-Advanced voi käyttää lähtökohtaisesti UTRAN- ja E-UTRAN-taajuuksia, eli UMTS:lle ja LTE:lle varattuja lohkoja siten, kuin ne on määritelty ITU:n maailmanlaajuisessa taajuussuunnitelmassa ja lopulta kansallisessa, operaattoreille jaetuissa lisensseissä. Aiempien taajuuskaistojen lisäksi WRC (World Radio Conference) on myöntänyt mahdollisuuden käyttää taajuusalueita ITU:n määritysten mukaisille 3G- ja 4G- verkoille seuraavasti: /17/ Taajuuslohko 450 MHz UHF-kaista (698 MHz 960 MHz) Taajuuslohko 2,3 GHz C-kaista (3,4 GHz 4,2 GHz) 4G:n tehokkain datansiirto vaatii useita 20 megahertsin taajuuslohkoja, joita ei tyypillisesti ole kovinkaan helposti tarjolla, ja tämän vuoksi IMT-Advancedyhteensopivien järjestelmien vaatimia taajuuksia järjestellään pikkuhiljaa kansainvälisellä ja lopulta kansallisella tasolla. /17/
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 27(30) 7 YHTEENVETO Työssä oli pääasiallisena tarkoituksena tutustua LTE-järjestelmään. Tämän lisäksi syvennyttiin hieman sen seuraajaan LTE-Advanced-järjestelmään ja esiteltiin 3GPP:n matkaviestinjärjestelmien kehityskulkua eri matkaviestinsukupolvien välillä. LTE on noussut maailmanlaajuisena matkaviestinjärjestelmänä kilpailijoidensa edelle ylivertaisten tiedonsiirto-ominaisuuksiensa sekä yhteensopivuutensa ansiosta. LTEtekniikan hyvä mobiliteetti, pieni viive, korkea tiedonsiirtonopeus downlink-suunnassa ja pieni virrankulutus päätelaitteessa ovat ominaisuuksia, jotka tekevät siitä hyvän järjestelmän etenkin matkapuhelimien laajakaistaiseen internetkäyttöön ja tiedonsiirtoon. Vaatimukset langattomissa verkoissa tapahtuvalle tiedonsiirrolle kasvavat koko ajan uusien päätelaitteiden myötä. Älypuhelimet ja Padit mahdollistavat paljon tiedonsiirtokapasiteettia vaativien sovellusten käytön, kuten videoiden ja televisiolähetysten vastaanottamisen päätelaitteeseen käyttäjän ollessa jatkuvasti liikkeessä. Uusien käyttötapojen myötä myös verkon on pysyttävä mukana kehityksessä, ja LTE on nimensä mukaisesti suunniteltu kehittymään vaatimusten kasvaessa.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 28(30) LÄHTEET 1. Geβner, Christina: Long Term Evolution (Rohde & Schwarz, 2011) 2. Khan, Farooq: LTE for 4G Mobile Broadband (Cambridge University Press, 2009) 3. Penttinen, Jyrki: 4G tuo vipinää verkkoihin (Prosessori 3/2011, s.40-43) 4. Penttinen, Jyrki: LTE-Radiotekniikat ja Protokollat (Prosessori 4/2011, s.40-43) 5. Penttinen, Jyrki: LTE-verkon suunnittelu ja mittaukset (Prosessori 5/2011, s.40-43) 6. Penttinen, Jyrki: LTE vaatii uuden runkoverkon (Prosessori 6-7/2011, s.46-49) 7. 3GPP TR 25.892 [viitattu 16.3.3012] saatavissa: http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/25_series/25.892/ 8. UMTS Long Term Evolution (LTE) Technology Introduction [viitattu 30.30.2012] saatavissa: http://www2.rohde-schwarz.com/file_10948/1ma111_2e.pdf 9. UTRA-UTRAN Long Term Evolution (LTE) and 3GPP System Architecture Evolution (SAE) [viitattu13.4.2012] saatavissa: ftp://ftp.3gpp.org/inbox/2008_web_files/lta_paper.pdf 10. HSPA to LTE Advanced: 3GPP Broadband Evolution to IMT-Advanced (4G) [viitattu 18.4.2012] saatavissa: http://www.rysavy.com/articles/2009_09_3g_americas_rysavyresearch_hspa- LTE_Advanced.pdf 11. WiMAX and the IEEE 802.16m Air Interface Standard April 2010 [viitattu 3.5.2012] saatavissa: http://www.wimaxforum.org/sites/wimaxforum.org/files/document_library/wimax_802. 16m.pdf 12. SuomiCom laajakaistavertailu [viitattu 3.5.2012] saatavissa: http://www.suomicom.fi/laajakaistavertailu.php 13. Jukka Lukkari: Wimaxin etsikkoaika on ohi (Tekniikka & Talous 1/2009, s.10) 14. TeliaSonera lehdistötiedote 14.12.2009 [viitattu 7.5.2012] saatavissa: http://feed.ne.cision.com/wpyfs/00/00/00/00/00/10/35/a2/wkr0011.pdf 15. Datame 4G-verkko [viitattu 7.5.2012] saatavissa: http://www.datame.fi/4g-yleista.html 16. Analysis of LTE & WiMAX [viitattu 7.5.2012] saatavissa: http://marioeguiluz.wordpress.com/2010/02/11/analysis-of-lte-wimax/
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 29(30) 17. Penttinen, Jyrki: LTE-Advanced kruunaa 4G:n (Prosessori 10/2011, s.48-51) 18. Prosessori 3/2011 s.41 19. E-UTRAN Architecture [viitattu 13.2.2012] saatavissa: http://www.artizanetworks.com/img/lte_tut_lte_fig05.jpg 20. 3GPP Releases [viitattu 10.5.2012] saatavissa: http://www.3gpp.org/releases
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 30(30) LIITTEET LIITE 1. LTE:n taajuusalueet /17/