Genişband Gezgin Haberleşmede Yeni Nesil Uygulamalar: 3G-4G Erdem Demircioğlu 1, Ş. Taha İmeci 2 1 Türksat Uydu Haberleşme Kablo TV ve İşletme AŞ, Ankara 2 Haliç Üniversitesi, Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü, İstanbul edemircioglu@turksat.com.tr, tahaimeci@halic.edu.tr Özet: Yeni nesil gezgin haberleşme sistemleri, artan veri iletim hızlarının karşılanabilmesi ve multimedya uygulamaların desteklenebilmesi için gerekli altyapıyı sağlamaktadır. Son 10 yıl içinde hızla ortaya çıkan 3G ve 4G sistem standartları, ülkemizde son yıllarda uygulanmaya başlanmıştır. 90 ların başında devrim yapan 2G gezgin sistemler, kısa sürede yerlerini genişband uygulamalara bırakmış olacaktır. Yeni nesil genişband uygulamalar sadece eski gezgin sistemleri değil, günümüzün sabit internet uygulamalarını da ciddi ölçüde değiştirecektir. Başta ADSL ve fiber olmak üzere, genişband güvenilir internet erişimi sağlayan pek çok kablo uygulaması da yeni nesil kablosuz haberleşme metodlarının geliştirilmesiyle cazibesini yitirecektir. Ancak şu unutulmamalıdır ki gerek kablolu gerekse kablosuz sistemler birbirine rakip olarak değil, birbirini tamamlayıcı teknolojiler olarak görülmelidir. Son mil gibi haberleşme altyapsı problemlerinin çözümünde fiber altyapının götürülemediği alanların 4G sistemler ile kapsanması mümkün olacakır. Bu bildiride öncelikle 2G sistemleri tanıtılmış, akabinde yerini alacak olan 3G ve 4G sistemleri de detaylı olarak anlatılmıştır. Önümüzdeki yıllarda daha belirgin olarak ortaya çıkması beklenen genişband veri iletimi talebinin nasıl karşılanacağı, uygulamaya konacak metodlarla (WiMAX, LTE vb.) açıklanmıştır. Anahtar Sözcükler: 3G, 4G, Gezgin, Haberleşme, GSM, WiMAX, LTE Novel Generation Applications in Broadband Mobile Communications: 3G 4G Abstract: The new generation mobile systems provide the necessary infrastructure to satisfy the growing data transmission rate and support multimedia applications. The 3G and 4G standards which came up in the last decade, has been applied today. The 2G technology, which is a revolution for 90s, will be replaced by the broadband access methods soon. These new generation applications will not swap only the current 2G mobile system, but also the fixed line internet systems used today. Many cable internet systems such as ADSL and fiber will lose its popularity by the common applications of new broadband systems. However it must be kept in mind that, these cabled and wireless systems are not opponents for each other, but they will meet each other s deficits. Some communication infrastructure problems such as last mile problem will be solved by 4G applications. In this paper 2G systems are referred basically. Then the prospective 3G and 4G technologies will be introduced. It is also mentioned in this study that, how the coming demand of broadband data transmission will be solved by methods such as WiMAX and LTE. Keywords: 3G, 4G, Mobile, Communication, GSM, WiMAX, LTE 1. Giriş Gezgin haberleşmenin özellikle 1990 ların sonuna doğru günlük hayata hızla girmesi, telekom firmalarının, mühendislerin ve endüstri organizatörlerinin oluşan talebe hızlı ve uzun vadeli çözüm bulmalarını gerektirdi. İkinci nesil diye adlandırılan GSM (Global System for Mobil Communication - Gezgin Haberleşme için Küresel Sistem) gibi servislerin başarısı, 433
Genişband Gezgin Haberleşmede Yeni Nesil Uygulamalar: 3G-4G Erdem Demircioğlu, Ş. Taha İmeci mevcut altyapıya eklenmesi gerekebilen yeni geliştirilecek servislere entegre olma ihtiyacını da beraberinde getirdi[1]. Bunun üzerine GPRS (General Packet Radio Services Genel Paketli Radyo Servisleri) ve EDGE (Enhanced Data rates for the GSM Evolution) GSM Evrimi için Zenginleştirilmiş Veri Hızları gibi, gezgin haberleşme operatörlerine ek maliyet getirmeyecek 2G ötesi gelişimler de hızla hayata geçirildi. Bununla beraber bu teknolojiler 2G nin merkezindeki temel sistem tasarım problemlerini çözemedi. Çünkü 2G sistemler yüksek bantgenişliği ve yüksek hızlı veri transferi için tasarlanmamıştı. İşte bu yüksek veri transferini destekleyen servislere olan ihtiyaç üçüncü nesil olarak adlandırılan 3G servislerini oluşturdu. Şekil 1. Gezgin haberleşme sistemlerinin gelişim süreci[2] Şekil 1 de görüldüğü üzere 90 ların başından itibaren artan veri iletim hızı ihtiyacını karşılamak için yeni teknolojiler uygulamaya sokuldu. 2. 3G Mimarisi ETSI (European Telecommunication Standard Institute - Avrupa Telekomünikasyon Standard Enstitüsü ARIB (Association of Radio Industries and Business/Japan - Japon Radyo Endüstrisi ve İş dünyası Oluşumu) CWTS (China Wireless Telecommunication Standard Group - Çin Telsiz Haberleşme Standardı Grubu) T1 (Standardisation Committee/US - A.B.D. Standart Komitesi ) TTA (Telecommunication Technology Assosiation/Korea) Kore Telekomünikasyon Teknolojileri Birliği TTC (Telecommunication Technology Committee/Japan - Japon Telekomünikasyon Teknoloji Komitesi) Üçüncü Nesil Ortaklık Projesi Tanımı (3GPP) başlangiçta oluşturulmadıysa da işlevsel prensipleri günümüzde hala yürülüktedir. 2.1 UMTS Nedir? Yukarıda da belirttiğimiz gibi 3G olarak da adlandırabileceğimiz UMTS; yazı, sayısal ses, görüntü ve bunların birkaçını içeren multimedya servislerin, genişbantlı ve paket-temelli iletiminin, 2 Mbps den daha hızlı şekilde dünyanın neresinde olursa olsun gezgin telefon ve bilgisayarlara sağlanması olarak tanımlanabilir. GSM temelli olan bu yapı 2002 yılından beri büyük üreticiler tarafından gezgin kullanıcılara sunulmuştur. 2.2 Teknik altyapı 3G sistemleri temelde çoklu erişim tekniklerine göre çalışmaktadır. Bunlar da kendi arasında üçe ayrılır: 3G servislerinden birisi Avrupa için geliştirilen UMTS standardıdır. Bu standart küresel bir oluşum olan 3GPP (Üçüncü Nesil Ortaklık Projesi) organizasyonu tarafından bulunmuştur. 3GPP nin şemsiyesi altında bulunan diğer standartlar şunlardır; 434 FDMA (Frekans Bölmeli Çoklu Erişim) TDMA (Zaman Bölmeli Çoklu Erişim) CDMA (Kod Bölmeli Çoklu Erişim) Modern gezgin sayısal haberleşme sistemleri tam karşılıklı (full-duplex) özelliğe sahiptir. İletim yukarı doğru (uplink-ul) ya da aşağı doğru (downlink-dl) gibi her iki yönde olabilir. UL, gezgin istasyondan (MS) ana verici-alıcı istasyona (BTS) doğru iletimi, DL ise BTS den MS e doğru iletimi belirtir. Amerika da bu genellikle geri ve ileri yönü gösterir.
Frekans Bölmeli Çoğullamada, UL ve DL iletimi birbirinden belirli mesafelerle ayrılan farklı frekans bantlarında gerçekleşir. Zaman Bölmeli Çoğullamada, UL ve DL iletimi aynı frekansta gerçekleşmesine karşın bu bant zaman bölmelerine ayrılmıştır. Zamanda ayrılmış olan UL ve DL iletimleri farklı zaman bölmelerinde gerçekleşirler. Kod Bölmeli Çoğullama daysa birçok kullanıcı aynı frekansı aynı zamanda kullanabilir. Bu durumda herbir kullanıcının kendilerine ait olan bilgiyi almaları, diğerlerini almamaları iletilerin kodlanmasıyla mümkün olmaktadır. Vericide kodlayıcı kullanılırken alıcıda ise kod çözücüler yardımıyla haberleşme sağlanabilir. Çeşitli kod bölmeli çoğullama teknikleri vardır ve bunlar birbirinden kullanılan modülasyon tekniğiyle ayrılırlar. Bu sistemin en popüler modülasyon tekniği, Dörtlü Faz Kaydırmalı Anahtarlama (QPSK) Modülasyonudur. 2.3 2G - 3G farkı Burada akla gelebilecek bazı soruların cevaplarını vermek yerinde olacaktır. UL yönünde 17 milyon, DL yönündeyse 512 kodun kullanıldığı UMTS üçüncü nesil haberleşme, GSM ikinci neslin işlevini tamamen yapabilmektedir. Temel farklılıklar; Görüntülü konuşma, hızlı veri, düşük karşılıklı erişim zamanı olarak belirtilebilir. Ayrıca iki sitem arasında kesintisiz karşılıklı haberleşme de mümkün olabilmektedir. Operatörler açısından bakıldığında ise; Antenlerin bantgenişliği ve ışıma yapıları değiştirilmelidir. Sahalar revize edilmelidir Frekansı yüksek olan 3G nin kapsama alanı küçüldüğünden aktarıcı sayısı artmalıdır Verici (BTS) yapısı değişmektedir. Bunlardan WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access Mikrodalga Erişimi için Dünya Genelinde Müşterek Çalışma) daha çok Amerika kıtasında standartlaşmış ve dünya çapında ilk başarılı mobil ve sabit uygulamaları başarıyla gerçekleştirilmiştir. Diğer taraftan LTE (Long-Term Evolution) Avrupa kıtasından başlayarak standartlaşmış ve temelde şu anda kullanılan 3G gezgin sistemlerinin gelecek nesil uygulaması olarak tasarlanmıştır. Şekil 2 den de görüleceği üzere araştırmalar gelecek 5 yıl içinde gezgin sistemler kullanılarak genişband sistemlere erişimin, sabit hatlar üzerinden yapılana göre çok daha fazla olacağını göstermektedir. Şekil 2. Genişband internet kullanımın yıllara göre dağılımı[3] WiMAX`de kullanılan lisanslı frekans bandı uygulaması, Wi-Fi teknolojisinde sorun olarak görünen servis kalitesi ve güvenlik problemlerine çözüm getirmistir. Teorik olarak onlarca Mbps veri hızına ulaşmak mümkün görünse de, gerçek uygulamalarda 2-4 Mbps veri hızı elde edilmiştir. İleride geliştirilecek WiMAX teknolojileri ile elbette daha iyi veri hızlarına ulaşmak mümkün olacaktır. WiMAX çalışmaları, kullanıcılara gezgin sistemlerin faydalarından yararlanılması açısından Wi-Fi uygulamalarından çok daha iyi olanaklar sunmaktadır. Önümüzdeki birkaç yıl içinde standartlar tamamlanacak ve günümüzde deneysel olarak test edilen bu sistemler hayatımızın önemli bir parçası olacaktır[4,5]. 3. 4G Dördüncü nesil (4G) kablosuz haberleşme sistemleri iki temel standart üzerine kurulmuştur. 435 3.1 WiMAX WiMAX standartı kablosuz geniş alan ağ bağlantı sorunlarından biri olan son mil (last mile) problemine çözüm olabilecek bir
Genişband Gezgin Haberleşmede Yeni Nesil Uygulamalar: 3G-4G Erdem Demircioğlu, Ş. Taha İmeci uygulamadır. IEEE 802.16 çalişma grubu tarafından oluşturulan WiMAX standartı yüksek hız ve düşük maliyet değerleri için genişband kablosuz erişim imkanı tanımaktadır. Kolayca yaygınlaştırılabilecek uygulamaları ile fiber optik altyapının genişletilebilmesi için bir çözüm metodu olarak alınmıştır. WiMAX baz istasyonları yardımıyla geniş kapsama alanlarına yayın yapılabilecektir. Direkt görüş (LOS Line of Sight) alanındaki yaklaşık 8km`lik mesafeye 70 Mbps hızında iletim sağlanacaktır. Nokia, Intel, Dell, Motorola, Fujitsu ve benzeri yüzün üzerinde firma tarafından kurulan WiMAX forum, DSL ve kablolu internetin ulaşamadığı alanlara genişband erişim imkanı tanıyacak bu teknolojinin geliştirilmesi için gereken desteği vermektedir. En hızlı Wi-Fi bağlantısı, optimal koşullar altında 54 Mbps hızına kadar iletim sağlar. WiMAX için bu değer 70 Mbps alınabilir. Bu 70 Mbps`in onlarca iş merkezine ve evlere dağılacağı düşünülürse son kullanıcının, kablo modemin sağladığına yakın bir iletişim hızına sahip olacağı düsünülmelidir. Bu durumda WiMAX`i Wi-Fi`dan üstün kılan iletim hızı değil, kapsama alanının genişliği ve iletim mesafesidir. Wi- Fi teknolojilerinde yaklaşık 30m`lik iletim mesafesi yakalanırken, WiMAX`in 50 km uzaktaki alıcılara iletim yapabilmesi tasarlanmaktadır. Yüksek güçlü baz istasyonlarının ve kullanılan frekans erişim tekniklerinin sunacağı avantajlar WiMAX`in kullanımını yaygınlaştıracaktır. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) teknolojisi üzerine kurulmuş olan WiMAX uygulamaları ile 5 MHz ve üzeri bant genişliklerindeki taşıyıcılar efektif olarak iletilecektir. Tüm bu üstünlüklerine rağmen WiMAX uygulamalarının günümüz Wi-Fi, fiber, DSL vb. haberleşme metodlarını tamamlayıcı ve bu alanlardakı eksikleri gidererek, gerektiği noktalarda ortaklaşa çalışacak yeni nesil bir teknoloji olduğu unutulmamalıdır. sabit hatlara bağlı kalmak zorunda olmamalıdır. 2014 yılında toplam 3.4 milyar insanın genişband internete sahip olacağı ve bunun %80`inin gezgin sistemler üzerinden internete bağlanacağı tahmin edilmektedir. Bu kullanıcılar büyük çoğunlukla HSPA (High Speed Packet Access Yüksek Hızlı Paket Erişimi) ve LTE (Long Term Evolution Uzun Vade Evrimi) ağlarından yararlanacaktır. Günümüzde insanlar, dizüstü bilgisayarlarda bulunan HSPA modemler vasıtasıyla internete girip, e-mail kontrol eder hale geldi. Artık sabit ADSL hatlar üzerinden alınan internet servisi popülerliğini kaybediyor. LTE sistemleri ile bu uygulamalar daha da gelişecektir. İnteraktif TV, mobil video uygulamaları, gelişmiş oyun ve profesyonel servisler gibi hizmetler LTE ağlari üzerinden verilebilecektir. LTE`in en önemli artısı yüksek kapasite ve veri aktarım hızı özellikleridir. LTE ağlarının isterlerinden biri de 100 Mbps indirme hızına ulaşmaktır. Teknolojik olarak 300 Mbps hızına ulaşmak mümkün olsa da Ericsson şu ana kadar 160 Mbps veri indirme hızını test etmiş bulunmaktadır. Şekil 3. Veri iletim hızlarının gelişimi [2] Şekil 3 den görülebileceği üzere 2G den itibaren geliştilen yeni nesil haberleşme uygulamaları ile veri taşıma kapasiteleri artmaktadır. 3.2 LTE Dünya genelinde artmakta olan genişband internet kullancıları sadece ev ve iş yerlerindeki 436 Tabi ki bu değerlere test ortamlarında ulaşılmıştır. Doğal olarak aynı performansların günlük kullanımlarda yakalanması kolay değildir.
LTE ayrıca 1.4 MHz`den 20 MHz`e kadar taşıyıcı band genişliklerini de desteklemektedir. FDD (Frequency Division Duplexing) ve TDD (Time Division Duplexing) erişim metodları da LTE tarafından uygulanmaktadır. LTE sistemlerinin bir diğer avantajı da mobil telefonlara ek olarak pek çok dizüstü bilgisayar, oyun konsolu, kamera vb elektronik ekipmanların bu standartla ortak calişacak olmasıdır[3]. 4. Sonuç Günümüz kablolu ve kablosuz internet erişim teknikleri genişband çözümleri konusunda gerek yüksek maliyetleri gerekse esneklikten yoksun olmaları sebebiyle yetersiz kalmaktadır. Gelecek nesil gezgin haberleşme teknolojileri ise geniş kapsama alanlarında yüksek veri hızı ile düşük maliyetli çözümler sunmaktadır. Önümüzdeki birkaç yıl özellikle mobil internet erişiminde köklü değişikliklerin yaşanacağı yıllar olacaktır. Bu çerçevede 100 Mbps gibi yüksek veri hızı iletimine sahip, esnek ve gelişmiş internet sağlayan, servis kalitesini (QoS) otomatik olarak kontrol edebilen, geliştirilmiş güvenlik özellikleri bulunan ve çok sayıda küçük genişband ağlarla ortak olarak çalışabilen 4G sistemleri devreye girecektir[6]. 5. Kaynaklar [1] Osadciw, L. Sayısal Haberleşme Ders Notları, Syracuse Üniversitesi, New York, (2005). [2] The Overview of the 4th Generation Mobile Communicaiton System, Toshio Miki, Tomoyuki Ohya, Hitoshi Yoshino, Narumi Umeda, 5th International Conference on Information, Communications and Signal Processing, 2005, Bangkok, Thailand [3] LTE an introduction White paper, Ericsson, June 2009. [4] Nokia Siemens Networks peers into the ultra-fast future with groundbreaking mobile broadband demonstration. Dec. 2008, Nokia Siemens Networks Press Release. [5] IEEE Microwave Magazine Vol.10, Number 3, May 2009 pg. 104-112. [6] Research Activities on the 4 th Generation Mobile Communications and Ad-Hoc Networks, Iwao Sasase, Department of Information and Computer Science, Keio University, Yokohama, Japan. [7] WiMAX: The Critical Wireless Standard, Research Report, BluePrint Wi-Fi. 437