Ewolucja sieci mobilnych.

Ewolucja sieci mobilnych Paweł Kułakowski: www.kt.agh.edu.pl/~brus/evolution_lectures.html

Dzisiejszy wykład: Sieci mobilne (komórkowe) 1. Stan obecny (dane), trendy, przewidywania 2. Koncepcje rozwoju 5G

Dane 1. ITU: Measuring the Information Society Report 2. Cisco Visual Networking Index 3. World Internet Users Statistics: internetworldstats.com

Użytkownicy Internetu 2015 Źródło: www.internetworldstats.com 6

Użytkownicy Internetu* 2017 * gospodarstwa domowe (households) 9 Źródło: ITU

Użytkownicy Internetu 2005-2015 10 Źródło: ITU

Użytkownicy: sieci kablowe i mobilne 11

Użytkownicy sieci komórkowych, 2017 (na 100 mieszkańców) 12 Źródło: ITU

Transfer danych w sieciach mobilnych +240% +38% +20% Średnia szybkość transmisji w kanale DL [Mbit/s] 24% CAGR 2021: 20 Mbit/s Średni miesięczny transfer danych przypadający na 1 smartfon [GB] +63% Prognoza: Miesięczny światowy transfer danych [EB = 10 9 GB] Źródło: Cisco, luty 2017

3G vs. 4G, smart vs. non-smart (2016) 26% 24% 69% 33% Połączenia w sieciach komórkowych Transfer danych połączenie 4G = 4 x połączenie 3G 10% 4% 45% 15% 2% 81% 2% 41% Urządzenia w sieciach mobilnych Źródło: Cisco transfer smart = 48 x transfer non-smart Transfer danych 14

30% 2% Rodzaj ruchu, masowość 5% 14% 2% 8% 60% Rodzaj przesyłanych danych 78% Prognoza 2021 18% 7% 6% Źródło: Cisco Procentowy udział w ruchu 1% najaktywniejszych użytkowników 15

Globalny transfer danych sieci mobilne: CAGR = roczna stopa wzrostu Od 2015 r.: offloading > transfer w sieciach komórkowych 16 16 Źródło: Cisco

Koncepcje rozwoju Cisco Bell Labs IEEE Arraycom, Ofcom

Oczekiwania względem sieci 5G: 3G/UMTS, 4G/LTE,? 1. Integracja, heterogeniczność 2. Przepustowość: x 100 IEEE 3. Opóźnienia: 15ms (4G) -> 1ms 4. Energooszczędność 18

Trendy i wyzwania Trendy: wykładniczy wzrost ruchu w sieciach komórkowych zużycie energii w sieciach telekomunikacyjnych już obecnie sięga 1-2% energii dostępnej na rynku Wyzwania: 100-krotny wzrost pojemności sieci, oraz: Prognoza miesięcznego transferu danych w sieciach mobilnych [EB] 100-krotne obniżenie energetycznych kosztów transmisji 19 Źródła: Cisco, Bell Labs (Alcatel -> Nokia)

Motywacja: 1950-2000 Wzrost pojemności sieci: 15-krotny - poszerzenie dostępnego pasma: z 150 MHz do prawie 3 GHz 5-krotny poprawa technik kodowania głosu 5-krotny lepsze techniki modulacji i dostęp MAC 2700-krotny mniejsze komórki www.rfcafe.com Razem: wzrost x 1 000 000 Czy to się da powtórzyć? 20 Źródła: Arraycom, Ofcom

Zagęszczanie sieci small (femto)cells Założenia: urządzenia montowane przez użytkowników (plug and play), bez żadnego planowania radiowego podłączenie do sieci kablowej pojemność sieci rośnie liniowo (!) aż do granicy 1 urządzenie/komórkę, potem wzrost: C = B log 2 (1+SNR) IEEE Koszty: NSC: Neighbourhood Small Cell w większości przerzucone na użytkownika końcowego zużycie energii << w porównaniu z klasycznymi komórkami Szacunki : > 10 milionów komórek femto na świecie 21 Network Densification: The Dominant Theme for Wireless Evolution into 5G, IEEE Comm. Magazine 2014

Poszerzenie dostępnego widma C = B log 2 (1+SNR) widmo < 300 GHz licencjonowane i obsadzone możliwość wykorzystania pasma zwolnionego przez telewizję analogową zainteresowanie pasmem >6 GHz, a nawet > 60 GHz (mmwaves) Wysokie częstotliwości: duże tłumienie sygnału, konieczność LoS www.ntia.doc.gov, USA 2016 moc rośnie proporcjonalnie do wykorzystywanego pasma ograniczony zasięg Zastosowanie: małe komórki / femto 22

Poprawa wydajności widmowej potencjał technik przetwarzania sygnałów uważa się raczej za wyeksploatowany dodatkowe anteny koncepcje: n użytkowników Network MIMO Massive MIMO orthogonal beamforming stacja bazowa K anten Massive/Network MIMO: nawet 100 anten na stacji bazowej możliwość jednoczesnego dekodowania wielu strumieni danych niwelowanie interferencji od użytkownika, które dane zostały już zdekodowane - Successive Interference Cancellation 23

Orthogonal beamforming ortogonalne charakterystyki antenowe K anten na stacji bazowej jednoczesna łączność z K użytkownikami warunek: estymacja kanałów UL i DL Ograniczenia technik MIMO/beamforming: mała liczba anten do stronie użytkowników problemy ze śledzeniem szybkozmiennych kanałów radiowych duży nadmiar informacji sygnalizacyjnych niska opłacalność przy dużej gęstości stacji bazowych Zastosowanie: duże komórki (makro) 24

Możliwy wzrost pojemności sieci Symulacje Bell Labs: Konfiguracje dla 1 Gbit/s x 5 dodatkowe pasmo częstotliwości gęstość: 300 uż./km 2 odległość MS-BS 35 m 75 m pasmo [MHz] 250 500 liczba anten 4 4 Pojemność sieci x 120 x 1.4 (dodatkowe anteny) x 17 (wyższa gęstość sieci) 25 Źródło: Bell Labs (Alcatel -> Nokia)

Zużycie energii Punkt wyjścia: zużycie energii w sieciach IT już obecnie sięga 1-2% energii dostępnej na rynku wzrost przepustowości przez prosty rozwój infrastruktury niemożliwy zużycie mocy pojedynczej stacji bazowej: 1-10 kw Komórki femto: zużycie mocy: 8-12 W szacunki Bell Labs: większość komórek femto nie jest używana 80 mln komórek femto 12 W = energia średniej elektr. atomowej 26

Pobór mocy komórek femto Obecny pobór mocy w trybie jałowym: około 50% Propozycja dedykowanego trybu jałowego: adaptacja do ruchu w komórce redukcja sygnałów pilota, procedur przełączeń i średniej gęstości mocy Holger Claussen, Bell Labs 27

Machine-to-machine communication Urządzenia: device-to-device comm. Związek z technologiami: Internet of Things sensory Industry 4.0 Networks mierniki automatyczne miejskie czujniki oświetlenia, parkowania urządzenia komunikacyjne w pojazdach elementy systemów monitoringu 4% 10% 45% 29% 5% 53% 41% Urządzenia w sieciach mobilnych w 2016 r. 13% Prognoza na 2021 r. 28 Źródło: Cisco

Technologie dla 5G 5G enablers 1. Komórki femto zagęszczanie sieci 2. Przenoszenie ruchu na sieci WiFi (offloading) 3. Massive MIMO 4. Fale milimetrowe (mmwave) 5. Komunikacja M2M 6. w warstwie sieci: - Cloud Radio Access Networks - Software Defined Networks 29

Dziękuję za uwagę! 30 Paweł Kułakowski