LTE ja HSPA+ -verkkoarkkitehtuuri

Abstract

Opinnäytetyössä tutkitaan matkapuhelinverkkojen alkua 1940-luvulta alkaen ja näiden kehitystä vuosikymmenien aikana ihmiskunnan muuttuvien tarpeiden kanssa. Perehdytään 3GPP-järjestön (3rd Generation Partnership Project) muodostumiseen ja osuuteen modernien matkapuhelinverkkojen kehityksessä sekä 3GPP:n kehitysprosessiin ITU-R:n (International Telecommunication Union Radiocommunication Sector) asettamia vaatimuksia seuraten.

Kolmannen sukupolven matkapuhelinverkkojen käyttämää HSPA+ -tekniikkaa (Evolved High Speed Packet Access) tutkittiin ja verrattiin neljännen sukupolven OFDMtekniikkaan (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Kolmannen sukupolven UMTS-verkkojen (Universal Mobile Telecommunications System) todettiin pohjautuvan CDMA-tekniikkaan (Code Division Multiple Access), mikä oli ottanut askeleen oikeaan suuntaan tiedonsiirtonopeuksien ja kapasiteettien kannalta, mutta ottaen huomioon kasvavan tiedonsiirron tarpeen voitiin todeta näiden palvelujen jäävän merkittävästi jälkeen. LTE-verkkojen (Long Term Evolution) käyttämien uusien OFDMA- (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), SC-FDMA- (Single-carrier FDMA) ja MIMO-tekniikoiden (Multiple Input and Multiple Output) ansioista 4G-verkot tekivät suuren parannuksen tiedonsiirron nopeuteen, kapasiteettiin ja häiriöiden sietokykyyn.

Kolmannen sukupolven UMTS-verkkoarkkitehtuuri koostui useammasta elementistä kuin neljännen sukupolven LTE-verkkoarkkitehtuuri, joka oli yksinkertaistettu jotta voitaisiin parantaa verkon suorituskykyä ja vähentää viiveitä. Vaikka LTEverkkoarkkitehtuuria yksinkertaistettiin käytetyt tekniikat monimutkaistuivat, jotta verkkoihin voitaisiin saada mahdollisimman monta käyttäjää rajoittamatta kapasiteettia tai tiedonsiirtonopeutta.

Työssä verrattiin vielä toisiinsa näiden matkapuhelinverkkojen datansiirtonopeuksia downlink-suunnassa. HSPA+ -tekniikkaa käyttävät verkot saavuttivat ideaalissa olosuhteissa nopeuden 42,2 Mbit/s, kun taas LTE-tekniikkaa käyttävät uudemmat verkot saavuttivat ideaalisissa olosuhteissa nopeuden 299,6 Mbit/s. Näiden todettiin jäävän kiinteisiin kuituverkkoihin verrattuna selvästi jälkeen, mutta tulevaisuuden 5G-verkkojen integrointi 4G-verkkojen kanssa voisi tarjota parempia palveluja kuin kiinteät kuituverkot nykyään.

This thesis researched the beginning of cellular networks starting from the 1940s and followed the evolution of these networks over the decades, as mankind’s changing needs regarding these networks took a clear direction. This paper looks at the formation of the 3GPP organization (3rd Generation Partnership Project) and its part in the shaping of modern cellular networks. 3GPP’s network development process following the requirements laid down by ITU-R (International Telecommunication Union Radiocommunication Sector) is also focused upon.

The HSPA+ technology (Evolved High Speed Packet Access) used by third generation cellular network is researched and compared to the OFDM technology (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) that the fourth generation cellular networks are based on. It is noted that the CDMA technology (Code Division Multiple Access) that UMTS networks are based on to be a step in the right direction, but found lacking when looking at the ever growing data transfer needs of mankind. The OFDMA- (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), SC-FDMA- (Single-carrier FDMA) ja MIMO-technologies (Multiple Input and Multiple Output), that 4G networks utilize, made a noticeable improvement to the speed, capacity and interference resistance aspects of cellular networks.

The 4G network architecture consisted of fewer network elements than 3G network architecture so the performance of the network could be maximized. Even though 4G network architecture was simplified, the technology was more complex to have a larger number of user devices simultaneously in the network and not sacrifice data transfer rates.

The downlink data transfer speeds offered by HSPA+ and LTE networks were compared. HSPA+ networks could produce a speed of 42.2 Mbit/s in ideal conditions, while LTE networks could reach 299.6 Mbit/s similarly in ideal conditions. Even though these were data transfer rates capable of supporting video playback, these both fall short when compared to fiber optic networks. As for the future, the integration of 4G- and 5G networks could potentially offer better services than fiber optic networks offer this day.