Ewolucja sieci mobilnych Paweł Kułakowski: www.kt.agh.edu.pl/~brus/evolution_lectures.html
2
3
4
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 2016 Źródło: www.internetworldstats.com 7
Użytkownicy Internetu 2015 Źródło: www.internetworldstats.com 8
Użytkownicy Internetu 2005-2015 9 Źródło: ITU
Użytkownicy: sieci kablowe i mobilne 10 Źródło: ITU
Transfer danych w sieciach mobilnych +240% +38% +20% Średnia szybkość transmisji w kanale DL [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 12
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 13
Globalny transfer danych CAGR = roczna stopa wzrostu Od 2015 r.: offloading > transfer w sieciach komórkowych 14 14 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 16
Trendy i wyzwania Trendy: wykładniczy wzrost ruchu w sieciach komórkowych zużycie energii w sieciach telekomunikacyjnych już obecnie sięga 1-2% energii dostępnej na rynku Prognoza transferu danych w sieciach mobilnych [EB] Wyzwania: 100-krotny wzrost pojemności sieci, oraz: 100-krotne obniżenie energetycznych kosztów transmisji 17 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? 18 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) podłączenie do sieci kablowej 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 IEEE 19 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 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 20
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 21
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) 22
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) 23 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 24
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 25
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 26
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. 27 Źródło: Cisco
Dziękuję za uwagę! 28 Paweł Kułakowski