Intelligens antennák

      A vezeték-nélküli hálózatok elterjedése és a sávszélesség növelésének igénye oda vezetett, hogy már-már alig van olyan engedélyezett frekvencia amit egy rádiós erőforrás zavarás nélkül használhat. Az engedélyek és az infrastrukturális költségek emiatt egyre magasabbak, a szolgáltatás típusától függetlenül. A vezeték-nélküli kommunikációs szolgáltatók fő célja, hogy olcsóbban felépíthesse hálózatait és olcsóbban tudjon szolgáltatni. Technikai szempontból egy jó szolgáltatásnak nagy teljesítményre és nagy sávszélességre van szüksége, hiszen ez magával vonja átviteli sebesség növekedését is. Jelenlegi értelmezésben a megbízható átvitel a következőt takarja: kis térbeli távolságban nagy mennyiségű energia oszlik szét, melynek csak egy nagyon kis részét használja fel a felhasználó. Az energia többi része interferenciaként minősül a többi felhasználó számára. Ezek alapján két fő problémába ütközünk:

1. Hogyan érjünk el nagyobb kapacitást, amivel több ügyfelet kiszolgálhatnánk, megmaradva a jelenlegi költségeknél és minőségnél?
2. Hogyan növeljük a lefedettséget anélkül, hogy plusz infrastrukturális és karbantartási költségekkel számolnánk?

A felhasználó számára a kapacitás azt jelenti, hogy hányszor és milyen minőségben tud egy adatkapcsolatot létesíteni. A felhasználó mindig a legjobb minőségre vágyik a lehető legalacsonyabb áron. A szolgáltatónak ezzel szemben inkább az a fontos, hogy minél több adatkapcsolatot lehessen zavarás nélkül fenntartani egyazon időben. Mivel a minőség és az adatkapcsolatok száma fordítottan arányos, a szolgáltatók mindig a lehető legrosszabb minőséget nyújtják, hogy minél több adatkapcsolat működhessen. Természetesen mindenki a saját kényelméért küzd, azonban van egy közös probléma, amit a felhasználó és a szolgáltató is szeretne megoldani. A lefedettség hiánya, ami egyik félnek sem jó. Ismét, a szolgáltató ezt csak a költségek növelésével tudná megoldani, ám ez a felhasználónak nem előnyös. Ráadásul a lefedettség növelésével nem fog megnőni a kapacitás, sőt a két dolog konfliktusban áll, hisz a minél nagyobb a lefedettség, annál kisebb az összkapacitás. Szükség van tehát egy olyan technológiára, ami megoldja a fenti két fő problémát.

      A megoldási javaslatok közé tartozik a rádiós interfészek modulációs sémáinak megváltoztatása, kisebb és más rádió-cellatípusok alkalmazása, más hierarchikus architektúrák alkalmazása, fejlettebb jelfeldolgozás, melyekkel együttesen teljes mértékben ki lehet használni a térbeli csatornákat. Térbeli csatornák, mert minden vezeték-nélküli felhasználónak más a térbeli elhelyezkedése. A térbeli megkülönböztetés talán az utolsó esély a vezeték-nélküli kommunikációs rendszerek életben tartására. A térbeli szelektivitás rádiófrekvenciás energia adásvételénél jelentősen megnöveli a kapacitást, a lefedettséget és a minőséget. Ezért harapott rá már sok vállalkozás erre és vásárolt ilyen technológiát. Térbeli szűrés szétválasztja a spektrálisan és időben átfedődő jelek sokaságát az adott fizikai területen. A térbeli dimenzió egy térbeli hozzáférési technikával számítható ki, kiegészítve a frekvencia-osztásos (FDMA), az idő-osztásos (TDMA) és a kód-osztásos (CDMA) többszörös hozzáférést. Ezt egy szóval tér-osztásos többszörös hozzáférésnek nevezik (SDMA), mely lehetővé tesz egyszerre több felhasználót egy rádiócellán belül ugyanazon a frekvencián és ugyanazon időrésen.

Ezt csakis intelligens antennákkal lehet megvalósítani, ami tulajdonképpen egy antennarendszer (vagy antennarács) mely képes módosítani a kisugárzott rádióhullámok időpontját, frekvenciáját, fázisát, polarizációját és a térbeli válaszát a csatornáknak, egy szóval az iránykarakterisztikáját. Intelligens, mert mindezt szoftverből végzi. A régebbi antennáknál az iránykarakterisztikát egyszerűen az antenna elfordításával irányították másfelé, például azoknál a radaroknál ahol az antennát egy motor forgatta körbe. A mai radarok intelligens antennarendszereket használnak. A különböző pályájú műholdakat követő antennák még mindig a forgatós módszert alkalmazzák, mert ott nincsenek gyors térbeli elmozdulások (nincs szükség villámgyors irányváltásokra), nincs hiány frekvenciában, nincsenek cellák és nincs végtelen sok műhold amivel egy antennának kommunikálnia kéne egyazon időben. A térbeli tartomány kihasználásával az intelligens antennák, a hálózat üzemeltetőjét a következő előnyökben részesítik:

• Kapacitásnövekedés: az azonos frekvencia és időrés használata révén egyszerre több felhasználónak jut hely
• Lefedettségnövekedés: az irányított főnyaláb nyeresége sokkal nagyobb, messzebbre elér mint a körsugárzó iránykarakterisztika bármely nyalábja. Ez azt jelenti, hogy kevesebb bázisállomásra van szükség az adott területen, ami jó hír a szolgáltatónak, de azt is jelenti, hogy a mobilkészülékeknek kisebb erőfeszítésükbe kerül a bázisállomás jelén megmaradni, azaz kisebb lesz a fogyasztásuk, ami a felhasználónak (és a mobilkészülék gyártóinak is) jó hír.
• Átviteli sebességnövekedés: minél több a szabad csatorna, annál gyorsabban közlekednek az adatok. Ez a kapacitásnövekedés következménye.
• Immunitás az interferenciára: a sugárzási nyalábok olyan módú beállítása, hogy a más hozzáférési pontoktól érkező jeleket kioltsa. E miatt javul a minőség.
• Hierarchikus cellastruktúrák támogatása: például szövevényes hálózatok kialakítása, amivel megoldódik az meghibásodott hozzáférési pont kiesését okozó zavar, ugyanis ebben a topológiában rögtön átveszi egy másik annak helyét.

Az intelligens antennák fejlődése

      A vezeték-nélküli kommunikáció kezdetekor a bázisállomás egy szimpla dipól antenna volt, mely minden irányban vett és sugárzott. Ebből a felhasználó csak egy kis százalékot használt ki. A lefedettség növelése érdekében egyszerűen csak megnövelték a sugárzó teljesítményt. Azok a nyalábok, melyek nem a célfelhasználó felé terjedtek, interferáltak a többi felhasználó jeleivel. Az uplink átvitelnél pedig a felhasználók készülékeinek kellett versengeniük a szükséges energiáért. Ebből kifolyólag a körsugárzó antennás módszer közvetlenül és hátrányosan befolyásolta a spektrális hatékonyságot, korlátozva a frekvencia újrahasznosítását. Más szóval sem a lefedettség, sem a kapacitás, sem pedig a minőség nem javítható az ilyen technológiánál.
      Következtek az irányított antennák, melyek segítségével szektorokra bontották egy bázisállomás jeleit. Minden szektor egy-egy cellát jelentett, melyeknek nagyobb volt a hatósugaruk (nyereségük) az irányítottság miatt. Ezzel a frekvenciák is újrahasznosíthatóvá váltak anélkül, hogy interferenciát okoztak volna. Természetesen a szomszédos cellák más frekvenciasávon működtek, hogy semmiképp se történjen cellaközi interferencia, azonban nem-szomszédos cellák használhatták ugyanazt a frekvenciát. A kapacitás és a teljesítmény továbbra is korlátozva maradt.
      A vezeték-nélküli kommunikációs hálózatokban a teljesítményt és a kapacitást három dolog korlátozza:

1. A többutas fading (jelgyengülés): a mindenfélének nekiverődő és visszaverődő hullámok gyengébbek lesznek mint az egyenes útvonalon érkezők. Több ilyen visszaverődött jel egyesülhet, a fázisok, az amplitúdók összeadódhatnak, de mindez az antenna helyzetének változásától, a polarizációtól és a terjedési időtől függ.
2. Késési szórás: a különböző utakat bejárt jelek beérkezési idejének különbsége. Ez az eltérés folyamatosan változik, de ha meghalad egy 10%-os ingadozást, akkor szimbólumközi interferenciát okozhat, korlátozván az átviteli sebességet.
3. Azonos csatornák interferenciája: a cellás rendszerek minden cellában meghatároznak egy bizonyos számú csatornát, frekvencia újrafelhasználással. Az azonos csatornák interferenciája annál nagyobb, minél kevesebb a csatorna, mert annál közelebb vannak egymáshoz.

Meghatározható egy diverzitási (sokféleségi) nyereség, ami csakis a többutas fadinggel lehetséges és a BER (Bit Error Rate) javítására szolgál. A diverzitás ezért sokszor a jel elhalkulásmentességére vonatkozik. Az alacsony korrelációt ismét csak háromféleképp lehet biztosítani:

1. Térbeli diverzitás: az antennák elég távol vannak ahhoz, hogy egymás jeleit ne zavarják. Ez a szögkiterjedéstől függ, tehát attól a szögtől, ahogyan a jel beérkezhet a vevőantennára. A kézi készülékeknél, melyeket általában más tárgyak is körülvesznek, ez az érték 360°, amihez elég negyedhullámhossznyi távolságra rakni az antennákat. Ugyanez igaz a beltéri bázisállomásokra is. A kültéri, mindenek felett elhelyezkedő bázisállomás antennájáról azonban csak kis szögben érkezhet hullám, ebben az esetben 10-20 hullámhossznyi távolság kötelező.
2. Polarizációs diverzitás: két egymásra merőleges polarizációt használnak (±45°), ami megduplázza a diverzitást. A magas bázisállomások antennáiról érkező vízszintes polarizációjú hullámok 6-10dB-el gyengébbek mint a függőlegesek, a diverzitás nyereségének rovására.
3. Szögbeli diverzitás: szomszédos keskeny nyalábok használata miatt kicsi a fading korreláció. Kis szögkiterjedésben, ha a jel többnyire egy ilyen keskeny nyalábon érkezik, akkor a többi nyaláb jelszintje 10dB-el gyengébb lesz mint a legerősebbé, ismét csak a diverzitás nyereségének róvására.

 
A diverzitás mindenképp javít a jelerősségen, amennyiben a következő két módszer egyikét alkalmazzuk:

• Váltakozó diverzitás: feltételezve, hogy legalább egy antenna kedvező helyen lesz egy adott pillanatban a mozgó vevő számára, a rendszer folyamatosan kapcsolgat az antennák között (a legideálisabb antennát keresve), így mindig a legmagasabb teljesítményt nyújtó antenna jelét veheti a felhasználó.
• Kombinált diverzitás: javítja két más útvonalról érkező jel fázishibáját egyesítvén azok erősségét (ha sikerül azonos fázisra hoznia a két jelet, akkor az amplitúdó megduplázódik). Másik diverzitási kombináció, mikor az antennák kimenő jelei úgy kombinálódnak, hogy a jel/zaj arány a vételi oldalon maximális legyen.

A diverzitásos antennák (vagy elhalkulásmentes antennák) többnyire az első, váltakozó módszert alkalmazzák. Bár nagy mértékben javítja a többutas jelek erősségét, de egyszerre csak egy antennát kapcsolhat a vevőre, ami akkor ideális, ha csak vétel, azaz a downlink kapcsolat létezik, tehát az uplink adatkapcsolat nyereségén semmit sem javít. A diverzitási rendszerek ott hasznosak, ahol a fading a domináns jelgyengítő. Ahol a jelek interferenciája játssza a fő gyengítő szerepét, ott a legerősebb jel kiemelése oda vezethet, hogy az interferáló jelét vesszük kristály tisztán a kívánt jel helyett.
      A többutas fading és az interferáló jelek együttese követeli meg az antennák fejlődésének következő lépését, mely intelligens módon integrálja az elhalkulásmentes antennák egyidejű működését.

Intelligens antennarendszerek

      Azért intelligens, mert alkalmazkodik a környezetéhez és azért rendszer, mert ezt nem képes egymaga elvégezni. A környezetében lévő felhasználók pozíciója és az őket zavaró interferencia függvényében változtatja az iránykarakterisztikáját. Más szóval a főnyaláb a felhasználó irányába halad, míg a null-nyaláb az interferencia irányába. Kezdetben a szögbeli diverzitáshoz hasonlóan, különböző szögekben az antenna keskeny, nem mozgó nyalábokat tudott sugározni. A vevő jele alapján meghatározta annak pozícióját és az abba az irányba mutató nyalábon szolgáltatta az adásvételt. Amint a felhasználó mozgott, az antenna úgy kapcsolgatott a nyalábok között. Az ilyen rendszer megnövelheti a bázisállomás hatósugarát (20-200%-al a körülményektől függően), de nem oldja meg az interferencia okozta zavarokat. Ezt a módszert nyaláb-kapcsolásos (SB - Switching Beam) módszernek nevezik.

 

Ezt követte az adaptív antennarendszer, mely komplexebb (katonaságnál, radarokban már régóta használatos) algoritmusokkal beazonosítja és követi a felhasználó jelét, csökkentve az interferenciát és növelve a jelerősséget.

Ezt a digitális jelfeldolgozás jelenlegi fejlettsége teszi lehetővé. Nyilván nem az antenna maga az intelligens, hanem a háttérben futó jelfeldolgozó. Ezt a módszert digitális vagy adaptív nyalábformálásnak vagy antennarácsnak nevezik (AA - Adaptive Array). Itt sokkal nagyobb a nyereség mint az előző intelligens antennánál, hisz nincs cellán belüli handover (a pillanat mikor a felhasználó átlép egyik nyaláb hatósugarából a másikba), se interferencia. Az interferencia kiszűréséhez a rendszernek az interferáló forrás pozícióját is meg kell határoznia. Az antennának ezen két pozíció változásához folyamatosan alkalmazkodnia kell.
      Mindez nagyban hasonlít az emberi hallás működésével. Mikor két személy beszélget, a hallgató mindkét fülével hallja a beszédet, amit az agy egyesít és segít betájolni, hogy honnan érkeznek a hangok, akár csukott szemmel is. Ugyanúgy az agy képes kiszűrni a nem kívánt zajt és csak a beszélőre koncentrálni.
      Az adaptív antennarendszer további előnye a cellán belüli frekvencia újrahasznosítás. Ahogyan a más bázisállomásokról érkező interferenciát képes kioltani, ugyanúgy a saját maga alkotta interferenciát is. A lényeg, hogy az iránykarakterisztika egyik főnyalábja mindig az azonos frekvenciát használó másik főnyaláb nullpontjában legyen.

A hátránya ennek a technológiának, hogy a legfejlettebb DSP (Digital Signal Processing) készülékekre van szükség, és a rendszer telepítése is sokkal költségesebb mint bármely más antennarendszeré.

Az antennák intelligenciájának evolúciója

      Három fázisban történt:

• Először csak uplinkre használták az okos antennákat (a felhasználó küld, a bázisállomás vesz). Ezzel megnőtt a bázisállomás nyeresége, azaz a lefedettség és az érzékenység. Ezt az elgondolást magas érzékenységű vételnek nevezték (HSR - High Sensitivity Receiver) és nem különbözött a már létező diverzitási technikáktól.
• Második lépésként downlink átvitelre is használni kezdték az irányított sugarakat (a bázisállomás küld, a felhasználó fogad). Így megnőtt a nyereség a downlink oldalon is, tehát mindkét irányban térbeli szűrés történt. A módszert interferencia-csökkentő térbeli szűrésnek nevezték el (SFIR - Spatial Filtering for Interference Reduction). A GSM-ben, mely TDMA/FDMA alapú rendszer, ennek bevezetése az interferenciák csökkenéséhez, azaz a kapacitás vagy a minőség növekedéséhez vezetett. Ez vagy szűkebb újrahasznosítási tényező bevezetésével (a nagyobb kapacitás érdekében) vagy pedig az újrahasznosítási tényező meghagyásával de magasabb SNR és jelminőség bevezetésével járt. A CDMA alapú rendszerekben a kódok nem-ortogonalitása a vevő oldalon interferenciát eredményez, rontván a rendszer kapacitását. Ezt többszörös hozzáférésű interferenciának nevezik (MAI - Multiple Access Interference). Az okos antennák az ilyen problémákon is segítettek.
• Az utolsó fázis az SDMA kifejlesztése volt. Ez tette lehetővé az azonos csatornák egyidejű használatát. Ez tulajdonképpen a TDMA, FDMA és CDMA kombinációja.

Az intelligens antennák felépítése

Vevő antenna

     A vevő M darab elemből áll, melyek jeleik egyetlen jellé kombinálódnak és úgy jutnak tovább a feldolgozóba (dekódolóba).

      Minél kevesebb antennát tartalmaz az antennarendszer, annál egyszerűbb dolga van a jelfeldolgozónak. Az antennák elhelyezése a környezettől függ. Kültérre lehet sorba vagy kör alakban helyezni, ez esetben csak a vízszintes síkú (azimutális) nyalábformálás történhet. A mátrix szerű elhelyezés inkább beltérben vagy nagy városokban szükségszerű. Az antennák elhelyezése lehet két vagy akár három dimenziós formájú is (négyzet vagy kocka), ebben az esetben vízszintes és függőleges (elevációs) nyalábformálás is megvalósítható.
      A nyalábformáló annyi analóg-digitális átalakítót (ADC) és frekvencia átalakító láncot kell tartalmazzon, mint ahány antenna van. A frekvenciákat muszáj kisebb frekvenciákká átalakítani, mert a jelfeldolgozó nem birkózik meg a mikrohullámokkal. A jelfeldolgozó a vett jelek alapján kiszámolja a komplex súlyokat (w1...wM), amivel a nyalábformáló megszoroz minden vett jelet. A súlyok határozzák meg az antenna iránykarakterisztikáját uplink irányban. A súlyokat két feltétel alapján lehet optimizálni: a felhasználótól vett jelerősség maximalizálása (például az SB módszer), vagy pedig a SIR (Signal to Interference Ratio - jel-interferencia arány) maximalizálása az interferenciák elnyomásával (például az AA módszer). Mindkét feltétel esetén másképp történik a súlyok kiszámítása. Mikor az SB módszert használják, a vevő minden nyalábnak az előre meghatározott súlyvektorát leteszteli és kiválasztja a legmagasabb jelszinthez tartozó súlyt. Hogyha a SIR-re kell optimizálni (AA módszer), akkor az optimális súlyt több, bonyolultabb algoritmusokkal számítják ki.
      A digitális nyalábformálás és a jelfeldolgozó is a DSP része. A nyalábformálás hardveresen is megvalósítható úgy rádiófrekvencián (RF) mint középfrekvencián (IF).

Adó antenna

      A bejövő jel M darab ágra oszlik, melyeket a w1...wM súlyokkal súlyoznak a nyalábformálóban. A jelfeldolgozó által kiszámított súlyok ebben az esetben downlink iránykarakterisztikáért felelősek. A nyalábformáló itt a DAC átalakítókból és az átalakítóláncokból áll. Természetesen az antennarács és a jelfeldolgozó ugyanolyan mint a vételi oldalon.

      Az uplink és downlink közti fő különbség, hogy nem ismert a downlink térbeli csatornaválasza. Az idő-osztásos duplexben (TDD) a mozgóállomás és a bázisállomás ugyanazt a vivőfrekvenciát használja, más-más pillanatban. Ebben az esetben az uplink-nek kiszámolt súly optimális lesz a downlink-nek is, amennyiben a csatorna nem változik meg az uplink és downlink közti váltás során. Ez sajnos nem ideális arra az esetre, mikor a felhasználó nagy sebességgel halad. A frekvencia-osztásos duplexben (FDD) az uplink és downlink a frekvenciában különbözik. Ebben az esetben a súlyok biztosan különbözőek lesznek, hisz a csatorna válasza frekvenciafüggő.
      Az optimális nyalábformálás ezért nagyon nehéz a downlink irányban, leginkább a geometriai megközelítés válik be az érkezési irány (DoA - Direction of Arrival) megbecslésére. Például, ha ismert az uplink iránya, akkor a downlinknek is abba az irányba kell tartania. A módszert a bázisállomások alkalmazzák, kiválasztván azokat a súlyokat, melyek az adott irányban tartják a fő sugárzó nyalábot downlink esetén is. A jelek többutas gyengülései miatt egy olyan javaslat is született, miszerint a downlink irányát az uplink egy bizonyos ideig tartó irányának átlagából becsüljék meg. Ez azonban rontja az optimális eredményt, hiszen az uplink csatornák minden pillanatnyi helyzete ismert.
      Hangsúlyozni kell, hogy az összes fentebb említett példa azt feltételezi, hogy a bázisállomásokat csak mozgóállomások zavarják és a mozgóállomásokat csak a bázisállomások. Tehát a bázisállomás iránykarakterisztikájának null-nyalábjai ha mozgó állomásokkal vannak egy vonalban, akkor őket nem fogja zavarni a bázisállomás jele. De az, hogy a mozgóállomásokat más mozgóállomás jele is zavarhatja, az sokkal alapvetőbb korlátozásokat von magával az interferencia csökkentése érdekében.

Az antennarácsok kialakítása

       Az antennarács vagy antennarendszer térben elválasztott antennaelemekből áll mely egy nyalábformáló hálózathoz csatlakozik. Lehet adó vagy vevő is, amennyiben a tervezésnél figyelembe veszik a következőket:

• A vevőantennára beérkező hullámok véges számú síkhullámokból tevődnek össze, melyek a közvetlen és a többutas komponensek eredményei.
• Az adó és minden olyan tárgy többutas terjedést okoz, mely az antennarács távol-terében van.
• A rács elemei (érzékelői) olyan távol kell legyenek egymástól, hogy a vett jel amplitúdója bármely két elem között ne különbözzön túlságosan.
• Mindenik érzékelőről feltételezni lehet, hogy egyforma az iránykarakterisztikája.
• Az antennarács elemei közötti kölcsönös csatolás elhanyagolható.

 A fenti ábra egy lineáris antennarácsot (antennasort) ábrázol, melyre Φ beesési szöggel érkeznek a síkhullámok. Az antennák közti távolság Δx.
      Az antennák elhelyezése igazából tetszőleges, de a lineáris és a körkörös elhelyezés a leggyakoribb. A lineáris egyszerűbben megoldható mint a körkörös, de megvan az a hátránya, hogy az antennarács mentén az iránykarakterisztika szimmetrikus, ami már nem jellemző a körkörös elhelyezésre.

 A fenti ábra alapján, a referencia antenna az (x0,y0,z0) pontban található, az m-edik antenna pedig az (xm,ym,zm) pontban. A rádióhullám mely áthalad egy ilyen antennarácson, fázistolást szenved az antennák szemszögéből. A a jel fáziskülönbsége a referencia antenna és az m-edik antenna között:

Ez csupán a keskeny sávú jelekre érvényes, ahol a modulált frekvenciasáv sokkal kisebb mint a vivőfrekvencia. Keskeny sáv esetén azt feltételezhetjük hogy az antennák által vett jelek között csak a fázisban van különbség, amely az antennák közti távolságtól és nem pedig a modulációtól függ. Ha a referenciasík z=0-ban van és az adó- vevő- antennák közti távolság nagyobb mint a köztük lévő szintkülönbség, akkor ráfogható, hogy az antennarácshoz érő hullám θ=90° beesési szögben fog érkezni. Ezért a síkhullámok érkezési irányának (DoA) kiszámításához elegendő a Φ azimutális koordinátát ismerni. A fenti egyenletből kiderül, hogy az antenna-elemek magasságának (zm) változása nem befolyásolja a fáziskülönbséget a referencia és az m-edik antenna között. Tehát a referenciától csak x és y irányba történhet eltolódás.
      Tegyük fel, egy kisugárzott keskeny sávú jel érkezik az antennarácsra, a következő komplex burkológörbével:

A vektort, mely ezeket a jeleket tartalmazza adatvektornak nevezzük:

Meghatározható egy mennyiség, mely a referencia és az m-edik antenna által vett jelek arányát adja:

Tehát egyetlen beeső síkhullám esetén:

Ezek alapján megállapítható az antennarács válasza (viselkedése), mikor arra egy Φ szögben eső hullám érkezik:

Ezt vezérlővektornak nevezik, melyeket ha minden Φ szögben ismerünk (egy adott frekvencián), akkor megkapjuk a rács rétegvektorát (array manifold vector). Ez nagyon pontos mérés és számítás kell legyen, amennyiben iránymérést szeretnénk végezni.
      A keskeny sávú adaptív nyalábformáláshoz, az antennarács minden elemének kimenetét be kell szorozni egy komplex súllyal, hogy megváltozzanak a fázis és amplitúdó összefüggések az ágakban, a következőt eredményezve:

Az antennarács válaszát a súlyozott hálózattal az antennarács tényezőjének nevezik:

Az antennarács súlyozott hálózata lehet fix vagy változó is. Az adaptív rácsban a súlyok úgy vannak igazítva, hogy maximalizálják a jel-interferencia és zaj arányt (SNIR) a kimeneten. Ezért a súlyozott hálózatok nagyon hasonlóak a véges impulzusválaszú (FIR) szűrőkhöz, ahol az időminták términtákra cserélődnek. Éppen ezért a súlyozott hálózatot térbeli szűrőnek is hívják.
      Az antennarács elemei közti távolság fontos szerepet játszik. Ha ezek fél hullámhossznál (λ/2) távolabbra vannak egymástól akkor az iránykarakterisztikában olyan nyaláb-lebenyek jelenhetnek meg, melyek rontani fogják a szerkezet teljesítményét. Emellett az elemek kölcsönös csatolása is korlátozza az antennák elrendezését. Ha az elemek szorosan vannak (közelebb mint λ/2), a csatolási hatás nagyobb és általában változik az elemek mozgatásával. Tehát elég távol kell legyenek ahhoz, hogy ne legyenek kölcsönhatásban és elég közel ahhoz, hogy ne keletkezzenek zavaró nyaláb-lebenyek. A gyakorlatban éppen ezért pontosan λ/2 távolságra helyezik őket.

Gyakorlati megvalósítások

A fenti két antenna a Ruckus cég BeamFlex nevű termékcsoportjából van, mely úttörő technológiákat képvisel a vezeték-nélküli hálózatokban. A BeamFlex rendszert már rengeteg internetszolgáltató választotta hozzáférési pontjaiként. A következő képen két régebbi analóg nyalábformáló antenna látható, melyeket az Európai Űrügynökség használt az ASTP Programban 1982-ben. Nagy teljesítményre tervezték, 20GHz-en működő hullámvezetőkkel.

A következő fényképen egy L-sávban (1-2GHz) működő körkörös elhelyezésű szintén analóg antennarendszer látható, mit az MSG (Meteosat Second Generation) második generációs meteorológiai szateliten alkalmaztak.

Az alábbi kép egy digitális nyalábformálót mutat, mely szintén az L-sávban üzemel és a negyedik generációs szatelitek (INMARSAT-4) processzorában kapott helyet.

A navigációs antennáknál is nyalábformáló megoldásokat alkalmaznak. A következő antenna a Földet "világítja" meg két egymástól független L sávban, körpolarizációt használva.

A lenti vezeték-nélküli modul egy rövid távú, nagy adatátviteli sebességű, alacsony fogyasztású, négy antennából álló nyalábformáló, mely 60GHz-re volt tervezve.

Végül pedig néhány olyan antenna, melyek hatalmas nyílásfelületén több ezer apró antenna található. A nyalábformálás az antennák által kisugárzott jel fázisának változtatásával történik.

LTE

      Az LTE (Long Time Evolution - Hosszú távú fejlődés) és az EPC (Evolved Packet Core network) a legújabb mobilkommunikációs technológia (negyedik generációs szabvány), ami jelenleg is folyamatosan terjeszkedik.

Tulajdonképpen a GSM (Global System for Mobile Communications) és az UMTS (Universal Mobile Telecommunication Systems) technológiák továbbfejlesztett szabványa. A 3GPP (3rd Generation Partnership Project) keretében az LTE jelenti a hangszolgáltatás véglegesítését, a több szolgáltatást nyújtó (multi-service) felület részeként. Az UMTS-nek vagy a GPRS-EDGE-nek (General Packet Radio Service - Enanched Data rate for Global Evolution) is ugyanez volt a fő célkitűzése, ám az LTE ezt úgy ért el, hogy a csomagkapcsolású szolgáltatásokra alapozta rádiós technológiáját és nem áramkörkapcsolásra, mint a többi technológia. Az LTE mint rádiós technológia, azaz fizikai réteg és a SAE (System Architecture Evolution) mint maghálózat, együtt alkotja az EPC-t, (Evolved Packet Core) úgy a maghálózatban, mint a rádiós hálózatban.


A SAE rendszer a 3GPP szabványból

      A rádiós interfészek fejlesztésével lépést kellett tartsanak a rendszerek architektúrái is, ezért előbb a szolgáltatásokat kell optimizálni és csak ezután a rádiós interfészeket.
      A HSPA technológiában (High Speed Packet Access) már bebizonyosodott, hogy minden rádiós funkció egyetlen helyre csoportosítható, a "node B"-be. Innentől kezdve az egész mobilhálózat architektúrája "laposabb", azaz a telefonhívás útvonala sokkal kevesebb csomópontot érint és sokkal kevesebb adatfeldolgozással jár.
      A SAE a következő kirtériumokat teljesítette:

• a csomagkapcsolású szolgáltatások optimizálása: nincs többé szükség az áramkörkapcsolásra
• nagyobb teljesítményre való optimizálás: a végső felhasználók nagyobb adatsebességget kaphatnak
• A hordozó (bearer) telepítésére és aktiválására szánt válaszidő javítása
• kisebb csomagkésés
• a rendszer egészében egyszerűbb legyen, mint a 3GPP, vagy egyéb jelenlegi celluláris rendszer
• az együttműködés optimizálása a többi 3GPP típusú hálózattal
• az együttműködés optimizálása a többi vezeték-nélküli hálózattal

Ezek kritériumok szükségessé teszik a lapos architektúrát. Minél kevesebb a hívásban résztvevő csomópont, annál kisebb a késés és annál jobb teljesítmény érhető el. A fejlődés ebbe az irányba már a 3GPP szabvány 7. kiadásában elkezdődött (jelenleg a 14-nél tartunk). A "Direct Tunneling" optimizációs módszer lehetővé tette, hogy a "User Plane" szintje az architektúrának kihagyja az SGSN (Serving GPRS Support Node) csomópontot, valamint hogy az RNC (Radio Network Controller) funkciókat a Node B-be pakolja. A következő ábra az evolúció lépéseit mutatja, amiből kiderül, hogyan értünk el a SAE architektúráig:

Néhány fejlesztési ötlet teljesen más irányba viszi az architektúra fejlődését. Például a különféle rádiós csomópontok együttműködésének optimizálása újabb funkciók beiktatását követeli, sőt, egyes protokollok új interfészeket is igényelnek. Habár ez megcáfolja az architektúra egyszerűségét, bizonyos esetekben mégis szükségszerű. Emiatt a 3GPP architekturális specifikációi két részre szakadnak:

1. Fejlesztett GPRS az E-UTRAN (Evolved - Universal Terrestrial Radio Access Network) típusú hozzáféréshez: a 3GPP architektúráját és funkcióit írja le az E-UTRAN-al és minden egyéb 3GPP hozzáférési ponttal együtt, valamint a köztük használt együttműködési eljárásokat. Ezen csomópontok közös nevezője a GTP (GPRS Tunneling Protocol), mint mobilitási protokoll egy hálózaton belül.
2. Fejlesztett architektúra a nem 3GPP alapú hozzáféréshez: a nem 3GPP csomópontok közti együttműködéshez szükséges architektúrát és funkciókat írja le, például a CDMA2000 HRPD (High Packet Rate Data) csomópontoknak. A mobilitási lehetőséget az IETF típusú protokollok biztosítják, mint például a MIP (Mobile Internet Protocol) és a PMIP (Proxy MIP). Ugyanezek a specifikációk jellemzik az E-UTRAN hálózatot is, amennyiben ehhez a protokollkörnyezethez van alkalmaztatva.

Az E-UTRAN architektúrájának konfigurációja

A fenti ábra egy olyan architektúra beállítást mutat, amelyben szerepel az E-UTRAN hozzáférési hálózat. A logikai csomópontok a köztük lévő kapcsolatokkal képviselik az alapbeállítást. Ezek minden esetben szükségesek mikor az E-UTRAN is jelen van. A mobil-eszközök tartománya, az E-UTRAN és az EPC együtt alkotják IP-kapcsolati szintet, melyet EPS-nek is neveznek (Evolved Packet System). Ennek fő feladata, hogy IP alapú kapcsolatot teremtsen és tulajdonképpen csak erre van optimizálva. A szolgáltatások az IP szint fölött vannak. Az áramkör-kapcsolású csomópontok és a még létező 3GPP interfészek nincsenek jelen az E-UTRAN-ban, sem az EPC-ben. Az IP technológia az átviteli hálózatokban is dominál, amely kifejezetten IP átvitelen alapszik. Az IMS rendszer (IP Multimedia Sub-System) jó példa a szolgáltatási infrastruktúrára, mert a szolgáltatás-kapcsolati szinten alkalmazható, az IP szint fölötti szolgáltatások biztosítására. Például a hangszolgáltatáshoz az IMS kézbesítheti a VoIP szolgáltatást az ISDN és PSTN áramkörkapcsolású hálózatoknak a Media Gateway típusú csomópontokon keresztül, melyeket irányít.
      Az E-UTRAN fejlesztése egy csomópont köré koncentrálódik, mit eNodeB-nek hívnak (envolved NodeB). Minden rádiós funkció ebben a csomópontban valósul meg. Az eNodeB végpontot jelent minden rádiós protokollnak. Az E-UTRAN, mint hálózat, egy egyszerű szövevényes hálózat (mesh) eNodeB csomópontokkal melyek az X2 interfészen csatlakoznak. Az egyik legnagyobb architekturális változás a maghálózatban az, hogy az EPC nem tartalmazza többé az áramkör-kapcsolású részt, mert nincs szüksége a hagyományos ISDN és PSTN áramkör-kapcsolású hálózatokhoz való kapcsolatra. Működésileg az EPC hasonló a már létező 3GPP csomag-kapcsolású tartományával, viszont jelentős változások vannak a funkciók elrendezését illetően, ezért a csomópontok és a teljes architektúra újnak tekinthető.
      A SAE-GW (System Architecture Evolution-GateWay) két Gateway (átjáró) kombinációját jelenti: az S-GW (Serving) és a P-GW (PDN - Packet Data Network), melyek az EPC hálózat felhasználói szintjét kezelik (UP - User Plane). Ezek együttese egyetlen SAE GW csomópontban azt jelenti, hogy csak egyetlen elrendezés létezhet, habár a szabványok mégis meghatároznak egy interfészt közöttük, valamint minden műveletet arra az esetre vonatkoztatnak, mikor a kettő külön létezik.
     Az alaprendszer és annak funkcióinak beállítása dokumentálva van a 3GPP TS 23.401-es leírásban. Ebben az az eset szerepel, mikor az S5/S8 interfész a GTP protokollt használja. Hogyha a PMIP protokollt használná, az interfészek működése kissé más lenne, mert szükség lenne a Gxc interfészre is, ami a PCRF (Policy and Charging Rules Function) és az S-GW között van. Az architekturális különbségek a TS 23.401-ben és a kiegészítő funkciók pedig a TS 23.402-es specifikációban vannak részletezve.


Logikai elemek

Felhasználói eszközök (UE - User Equipment)

      Az UE a mobilkészülékeket képviseli, ami lehet okos-telefon, adat-kártya (melyeket a 2G vagy 3G hálózatokban használnak), vagy lehet akár egy laptopba épített mobileszköz is. Az UE tartalmaz külön egy USIM modult (Universal Subscriber Identity Module), amit gyakran TE-nek is neveznek (Terminal Equipment). Az USIM tulajdonképpen egy alkalmazás, melyet az UICC okos-kártya tartalmaz (Universal Integrated Circuit Card). Az USIM feladata, hogy azonosítsa és hitelesítse a felhasználót és hogy létrehozza a titkosításra használt kulcsokat.

      Működésileg, az UE nem más mint egy platform a kommunikációs alkalmazások számára, ami jelzéseket küld az LTE/EPC hálózatnak a kommunikációs kapcsolatok létrehozására, fenntartására és felszabadítására. Ide tartoznak "Mobility Management" funkciók (például a handover) vagy azok, melyek jelentést adnak, hogy éppen hol található a mobileszköz. Az UE felhasználói felületet biztosíthat például a VoIP alkalmazásoknak.

Fejlett NodeB (eNodeB)

      Az E-UTRAN hálózatban az egyetlen csomópont létezik, az eNodeB. Ez egy rádióállomás amely minden olyan funkciót irányít ami a hálózat nem-mozgó részére vonatkozik. Ezek az állomások szétszórtan megtalálhatók a lefedettség területén. Működésileg az eNodeB hídként működik az OSI modell második szintjén (adatkapcsolati réteg - LLC és MAC), az UE és az EPC hálózat között. Feladata: a felhasználói szint (UP) adatainak titkosítása/megfejtése valamint az IP fejléc tömörítése/kicsomagolása (azzal az előnnyel, hogy nem kell a fejléc ugyanazt az adatot vagy adatszekvenciát tartalmazza).
      Az eNodeB a vezérlési szintért is felelős (CP - Control Plane), mert ő menedzseli a rádiós erőforrásokat, ami a következőket foglalja magába:

• a rádiós interfészek használatának ellenőrzése, ami magába foglalja például az erőforrások kérés alapú lefoglalását
• az adatforgalom ütemezése és prioritások felállítása a kért QoS alapján
• az erőforrások kihasználási mértékének folyamatos felügyelete

Az eNodeB felügyeli és elemzi az UE által mért jelerősséget, hasonló méréseket végez majd handover-döntéseket hoz, hogy átvigye a készülékeket egyik cellából a másikba. Ez a művelet a handover-jelzések átvitelét (cseréjét) is tartalmazza a többi eNodeB és MME (Mobility Management Entity) között .

      Mikor egy új UE mobilkészülék aktiválódik az eNodeB lefedettségi területén és hozzáférést kér az EPC (LTE) hálózathoz, az eNodeB lesz az akinek továbbítania kell ezt a kérést annak MME-nek, aki előzőleg szolgálta ezt az UE-t. Továbbá új MME választódik ki, amennyiben nincs az előző MME-hez vezető út vagy hiányzik az útválasztó információ. A következő ábra minden olyan kapcsolatot ábrázol ami létre jöhet az eNodeB és a körülötte lévő logikai csomópontok között. Összegzően fel vannak sorolva a használt interfészek főbb funkciói is:

Mobilitási Menedzsment (MME)

      Az MME csomópont a fő vezérlőelem az EPC hálózatban. A hálózat üzemeltetője szempontjából az MME egy szerver és csakis a vezérlési síkon (CP) működik és nem szerepel a felhasználói sík (UP) adatainak útvonalában. Ezen kívül a MME rendelkezik egy közvetlen, CP típusú logikai kapcsolattal is az UE mobilkészülékkel, melyet fő vezérlőcsatornaként üzemeltet a mobilkészülék és az EPC hálózat között. 

Az MME fő funkciói és beállításai a következők:

- Hitelesítés és biztonság: mikor egy UE először regisztrálja magát a hálózatban, az MME a következőképp hitelesíti:

1. Lekérdi az UE állandó identitását: vagy az előzőleg látogatott hálózattól vagy közvetlen az UE-től, majd összehasonlítja az UE-től kapott választ a származási hálózatéval (home network). Ez bizonyosságul szolgál a hálózatnak, hogy az UE valóban az akinek tartja magát. Az EPS-AKA hitelesítési részletek megtalálhatók a 3GPP TS 33.401 szabványban. Az MME akár többször is megismételheti a hitelesítési folyamatot.
2. Ezután kiszámítja a titkosító és az integritást védő kulcsokat a származási hálózattól kapott hitelesítési adatvektorban szereplő fő kulcsból (master key). Így külön leellenőrizhetőek az UP és CP mezők E-UTRAN bellításai. Ezek a funkciók megvédik a kommunikációt a törvénytelen lehallgatásoktól és zavaroktól.
3. Hogy az UE mobilkészülék titoktartását megőrizze, az MME minden UE-hez hozzárendel egy ideiglenes azonosítót (GUTI - Globally Unique Temporary Identity), már csak azért is, hogy ne kelljen az UE folyamatosan a saját azonosítóját (IMSI - International Mobile Subscriber Identity) küldözgesse. Más-más GUTI rendelhető hozzá folyamatosan, ami megakadályozza a törvénytelen követést.

- Mobilitási menedzsment:
Az MME folyamatosan regisztrálja és követi azokat az UE mobileszközöket, melyek az ő tartományában vannak. Az UE első belépésekor a hálózatba, az MME egy bejegyzést (nyilvántartást) készít és jelzi az UE korábbi hálózatában lévő HSS-nek (Home Subscriber Server) az aktuális pozíciót. Ezután telepíti a szükséges erőforrásokat az eNodeB és az S-GW számára, melyet az UE-nek fog kijelölni.
Az MME mindig tudja hol van az UE mobilkészülék, akár eNodeB szinten (amennyiben az UE aktív marad - részt vesz a kommunikációban), akár pedig TA (Tracking Area) szinten - mely tulajdonképpen egy eNodeB csoport (amennyiben az UE passzívvá válik - nincs szüksége aktív kapcsolatra).
Az MME irányítja az erőforrások lefoglalását és felszabadítását, az UE változó tevékenysége alapján.
Az MME a vezérlőjelzésekkel kiveszi a részét akkor is, mikor az aktív UE és az eNodeB-k, S-GW-k vagy MME-k között éppen handover zajlik.
Az MME részt kell vegyen minden eNodeB változásban, mivel már nincs RNC ami elvégezné ezeket helyette. A passzív UE periodikusan, vagy más Tracking Area-ba való behatolása során jelzi a saját helyzetét. Ha egy passzív UE-nek címzett adatot érkeznek egy külső hálózatból, erről az MME is értesülni fog és megkéri az UE közelében lévő eNodeB-t, hogy értesítse az UE-t (paging).

- A profilnyilvántartás és a szolgáltatáshoz való kapcsolódás kezelése:
 Mikor az UE regisztrálódik a hálózatban, az MME lesz a felelős, hogy beszerezze a származási hálózattól az UE profilját. Ezt mindaddig számon tartja, míg az UE-vel foglalkozik. A profil tartalmazza a PDN csatlakozások típusait (Packet Data Network), melyek alkalmazhatóak a hálózathoz való csatolásnál. Az MME automatikusan telepíti az előző hordozót (deafult bearer), mely biztosítani fogja az IP alapkapcsolatot. Ez a kapcsolat támogatja a CP - eNodeB és a CP - S-GW jelzéseket is. Később szükségessé válhat, hogy az MME foglalja le az elsőbbséget élvező szolgáltatások hordozóit (vivőit) is. Megtörténhet, hogy az MME kap kérést, hogy foglaljon le egy hordozót, ami jöhet az S-GW-től (mikor a szolgáltatás-kezelő kér), de jöhet az UE-től is (mikor olyan szolgáltatásra van szükség amit a szolgáltatás-kezelő nem ismer). A következő ábra az MME kapcsolatait mutatja az őt körülvevő logikai csomópontokkal, összegezvén azok funkcióit:

Kiszolgáló-átjáró (S-GW)

      Az alaprendszer konfigurációjában, az S-GW  feladata a kapcsolgatás és az UP átjárók (vagy tunel-ek) irányítása. Az SGW a hálózat infrastruktúrájának része, melyet a hálózat szolgáltatás-kezelő irányít. Ha az S5/S8 interfész a GTP protokollt használja, akkor az SGW-nek az UP minden interfészén lesz átjárója. A GTP átjárók és az IP fluxusok (adatfolyamok) közötti leképzés (mapping) a P-GW-ben történik, az S-GW nem kell a PCRF-hez csatlakozzon. A teljes vezérlés a GTP átjárókkal történik, de a vezérlést végezheti az MME vagy a P-GW. Hogyha az S5/S8 interfész a PMIP protokollt használja, akkor az S-GW-ben történik a leképzés az IP fluxusok (az S5/S8 interfészből) és aGTP átjárók (az S1-U interfészből) között, rácsatlakozván az PCRF-hez is a leképzési információk miatt.
      Az S-GW-nek csekély szerepe van a vezérlést illetően, csakis a saját erőforrásaiért felelős, amiket az MME-től, a P-GW-től vagy a PCRF-től érkező kérések alapján foglal le. Ellenben fontos szerepe van az UE hordozójának lefoglalási, változtatási és törlési folyamataiban. Ha az S5/S8 interfész PMIP-et használ, akkor az adatok ebben az interfészen IP fluxusok lesznek a GRE átjárót nézve, minden egyes UE számára, de ha GTP protokoll fut rajta, akkor minden hordozónak meglesz a maga GTP átjárója. Tehát a PMIP-es S-GW a hordozó csatolását jelenti, például az IP fluxusok leképzése az S5/S8 interfészről az S1 interfész hordozóira. Ezt a funkciót BBERF-nek nevezik (Bearer Binding and Event Reporting Function), azaz hordozócsatoló és eseményjelentő funkció.
      Függetlenül attól, hogy honnan jött a hordozó jelzése, a BBERF mindig megkapja a hordozócsatoló információt a PCRF-től. Az eNodeB csomópontok közötti mozgás alatt az S-GW horgonyként (mobilitási végződésként) működik: az MME-től kapott parancs alapján átkapcsolja az átjárót egyik eNodeB-től a másikhoz. Az MME azt is kérheti, hogy az S-GW foglaljon le némi erőforrást az átjáróban küldendő adatok számára, ami abban az esetben történik ha az UE épp handoverben van és át kell küldeni az adatokat egyik eNodeB-ből a másikba. A mobilitási esetek közé tartozik az is, mikor az S-GW csomópontot is le kell váltani. Ezt az MME irányítja, kitörölvén az átjárót a régi S-GW-ből és létrehozván egy újat az új S-GW-ben.
      Az aktív UE minden adatfolyama esetén az S-GW az adatokat egy eNodeB és egy P-GW között közvetíti. Ha az UE inaktív, az eNodeB erőforrásai felszabadulnak és az adatok útvonala az S-GW-ben ér véget. Ha az S-GW a P-GW-től kap adatokat, akkor ezeket egy bufferbe gyűjti és megkéri az MME-t, hogy kezdje erről értesíteni (paging) az UE mobilkészüléket. Az értesítés hatására az UE újracsatlakozik a hálózatra, és amint az átjárók is újra kialakulnak, a bufferben tárolt értékek az UE-hez jutnak. Az S-GW figyeli az átjáróban közlekedő adatokat és akár be is gyűjtheti őket és elszámolhatja a felhasználó adóztatására. Az S-GW-nek tehát van egy törvényes lehallgatási funkciója, amit akár nyomozásra is fel lehet használni. Az lenti ábra az S-GW kapcsolatait mutatja a többi logikai csomóponttal, azok funkcióinak rövid leírásával együtt:

Mindenik interfészen az "egy a többhöz" beállítást kell alkalmazni az S-GW szemszögéből nézve. Egy S-GW egy földrajzi területet szolgálhat egy bizonyos számú eNodeB-vel és valamennyi MME-vel, melyek a területet felügyelik. Az S-GW rácsatlakozhat bármilyen P-GW-re a teljes hálózatból, mert az úgysem változik meg a mozgás során, holott az S-GW újra és újra lefoglalható miközben az UE mozog. Ha csak az egyetlen UE-hez tartozó kapcsolatokat nézzük, az S-GW egyetlen MME-vel van jelzési viszonyban. Ha egy UE több PDN hálózathoz is csatlakozik (Packet Data Network) különböző P-GW-ken keresztül, akkor az S-GW mindenik ilyen P-GW-hez külön kell kapcsolódjon. Ha az S5/S8 PMIP alapú, akkor az S-GW-nek egy PCRF-hez is kapcsolódnia kell minden P-GW esetén (amelyet az UE éppen használ). Az ábra a közvetett adatküldés esetét is mutatja, mikor az UP adatok S-GW-ken keresztül közlekednek az eNodeB csomópontok között. Az S-GW logikai csomópontok közötti interfésznek nem igazán van neve, mivel a formátum ugyanaz, mint az S1-U interfész esetén, viszont a kommunikációba bevont S-GW-k úgy is értelmezhetik a kommunikációt, mintha közvetlen egy eNodeB-vel kommunikálnának. Ez lenne tehát az az eset, mikor az átvitel egyetlen S-GW-n keresztül közvetett. Például mind a két eNodeB csatlakozhat ugyanahhoz az S-GW-hez.


PDN átjáró (P-GW - PDN GateWay)

      A P-GW nem más mint a hálózat szélén lévő útválasztó (edge router), azaz az EPS rendszer és a külső csomagkapcsolású hálózatok között található. Ő a rendszer legmagasabb szintű mobilitási "horgonya", úgy viselkedik, mint a mobilkészülék IP csatolópontja, szelekciós és szűrő feladatokat végezve az adatfolyamon. Az S-GW-hez hasonlóan, a P-GW is a központi hálózatkezelő egységben található.
A P-GW egy IP címet foglal le az UE mobilnak, amit az EU arra használ, hogy más IP hosztokkal kommunikáljon a külső hálózatból. Előfordulhat, hogy a kulső PDN foglalja le ezt az IP címet és ekkor a P-GW feladata lesz az átjáró létesítése az adott hálózathoz.
      Az IP cím csak addig lesz lefoglalva, míg az UE kapcsolatot kér a PDN-re. A P-GW a DHCP funkcióját is betöltheti (Dynamic Host Configuration Protocol), de megkérhet egy külső DHCP szervert is, hogy adjon egy IP címet az UE-nek. Mindezek mellett, a szabvány a dinamikus automatikus konfigurációról is ír. Csakis IPv4 vagy IPv6 vagy mindkét típusú cím foglalható le, szükség szerint. Az UE jelezheti, hogy ezeket a címeket a csatlakozási jelzésekben szeretné-e kapni, vagy pedig elér a csatlakozás befejeztével is.
      A P-GW tartalmazza a PCRF-et, azaz képes szűrési és szelektív funkciókra is, ahogyan azt az UE és a kért szolgáltatás szabályzata megköveteli, így begyűjtheti és jelentheti az adózási információkat. 
      A külső hálózatok és a P-GW közti UP szintű adatforgalom IP csomagokban közlekedik (mint az IP szolgáltatások része). Ha az S5/S8 GTP alapú, akkor a P-GW az IP fluxusok és a GTP átjárók (amik tulajdonképpen a hordozók) között hajtja végre a leképzési folyamatot (a mapping-et).
      A P-GW a hordozókat a PCRF vagy P-GW-től jött kérések alapján hozza létre. Ezek küldik az információkat az MME-nek. Előfordulhat, hogy a P-GW a PCRF-el kell közreműködjön, abban az esetben, ha szüksége van az ellenőrzési politikákkal kapcsolatos információkra merthogy azok nincsenek beállítva a P-GW-ben. Ha az S5/S8 interfész PMIP alapú, akkor a P-GW minden kívülről érkező IP fluxust leképez, melyek ha egyetlen UE-hez tartoznak, akkor egy GRE átjáróra képzi, a többi, vezérlési információcsere csak a PCRF-el zajlik. A P-GW figyel minden adatforgalmat és elkönyvel, amihez csakis a legális felhatalmazottak juthatnak hozzá.
      A P-GW a legmagasabb szintű mobilitási "horgony". Mikor az UE egyik S-GW-ből a másikba megy, a hordozókat a P-GW kapcsolja át. A P-GW kap egy jelzést, hogy az adatforgalmat pakolja át az új S-GW-be. A következő rajz az S-GW csomóponti kapcsolatokat mutatja, az interfészek funkcióinak rövid leírásával:

Mindenik P-GW csatlakozhat egy vagy több PCRF-hez, S-GW-hez vagy külső hálózathoz. Egy adott UE-nek, mely a P-GW-hez van csatlakozva, egyetlen S-GW áll rendelkezésére.


Engedélyezési és számlázási szabályok funkciója (PCRF - Policy and Charging Rules Function)

      A neve összefoglalja, hogy mire is jó. Ő dönti el, hogyan kezelje a szolgáltatásokat QoS szempontból és a döntését elküldi a P-GW-ben található PCEF-nek is. Ha szükség, elküldi az S-GW-ben lévő BBERF-nek is, hogy be lehessen állítani a vivőt is és a hozzá tartozó politikát.
      A PCRF a PCC keret része (Policy and Charging Control), mely a 3GPP TS 23.203 szabványosított. Ez egy szerver, ami általában a maghálózat üzemeltetőjének kommutációs központjában található.

     Az információt amit a PCRF a PCEF-nek küld, PCC szabályzatnak nevezik. Ez mindig megtörténik valahányszor új hordozó épül. Például, mikor egy UE a hálózatra csatlakozik, vagy mikor szolgáltatásnak dedikált hordozóra van szükség. A PCRF mindig kész rá hogy PCC szabályokat küldjön, a P- és S-GW-től érkező kérések alapján (PMIP esetén), vagy akkor is, ha a csatlakozás során kérést kap erre az AF-től (Application Function - a szolgáltatási tartományban található). Az utóbbi esetben az UE közvetlenül a szolgáltatási tartománnyal cserél jelzéseket, például az IMS-el (IP Multimedia Subsystem), amikor is az AF küldi a QoS információt a PCRF-nek. Mindennek az eredménye egy PCC döntés (vagy szabály) lesz amit a P-GW kap meg. Az S-GW az átjáró leképzési információját fogja megkapni (ha PMIP fut az S5/S8-on). Az EPC hordozók ezen információk alapján épülnek fel. A PCRF összeköttetéseit más csomópontokkal a következő ábra szemlélteti. Mindenik PCRF kapcsolódhat egy vagy több AF-hez, P-GW-hez és S-GW-hez, de csak egy PCRF lehet hozzárendelve egy PDN kapcsolathoz:

Előfizetői szerver (HSS - Home Subscription Server)

      A HLR-hez hasonló, az előfizetők állandó adatait tároló szerver, mely adatbázisa szintén a szolgáltató központi épületében található. Arra is jó, hogy  regisztrálja a felhasználó pozícióját csomóponti (pl. MME) szinten. A HSS tárolja az előfizetők profiljának másolatát, melyben az engedélyezett szolgáltatások és kapcsolatok szerepelnek, valamint az, hogy roaming-olhat-e  egy idegen hálózattal. Hogy a nem-3GPP csomópontok között is lehessen mozogni, a HSS tárolja azon P-GW csomópontok azonosságát is melyek éppen használatban vannak. Az állandó kulcs, melyet a hitelesítési vektorok számolgatására használnak az AuC-ben található (Authentication Center), mely tipikusan a HSS része. A HSS közreműködik az MME-vel minden ezzel kapcsolatos jelzés során.

      A HSS-nek a hálózat minden MME csomópontjával tudnia kell csatlakozni, legalább is ahol az UE mozoghat. Mindenik UE-nek a HSS bejegyzés csak egyetlen MME-t fog megmutatni (amelyik éppen szolgálja), de mikor egy új MME jelzi, hogy átvette a régi helyét, a HSS törli azt az adatbázisból és berakja az újat.


A szolgáltatások tartománya

      Ez több alrendszert is magába foglalhat, tehát több logikai csomópontot is. Íme néhány szolgáltatástípus:

• IMS alapú szolgáltatáskezelő: egy olyan mechanizmus, melyet a rendszer operátora (kezelője) használhat különféle szolgáltatások közvetítésére, a SIP protokollt használva (Session Initiation Protocol). Az IMS architektúráját a 3GPP határozza meg.
• Nem IMS alapú szolgáltatáskezelő: ez nincs benne a szabványokban. Az operátor egyszerűen berakhat egy szervert a hálózatába, melyre az UE mobileszközök rácsatlakozhatnak egy alkalmazással, ami ismeri a szükséges protokollt. Például egy videóstreaming szolgáltatás, melyet egy streaming szerver üzemeltet.
• Egyéb szolgáltatások, melyeket nem a rendszer operátora közvetít: például az internet alapú szolgáltatások. Az internet architektúrája nyilván nincs szabványosítva a 3GPP-ben, ez csak az alkalmazástól függ. Például egy UE rácsatlakozik egy szerverre az interneten keresztül, ami lehet webszerver de lehet SIP alapú szerver is a VoIP szolgáltatásnak.

Az S1-MME és az X2 interfészek automatikus beállítása

      A 3-GPP 8-as kiadványának fejlesztése során arra a megállapodásra jutottak, hogy jó lenne szabványosítani az S1-MME és az X2 interfészek automata beállítását.

      Az eNodeB indulása pillanatában (amennyiben megvan a szükséges IP kapcsolata) rácsatlakozik a szolgáltatói és karbantartási központra (O&M - Operation & Maintenance) az IP cím alapján a szükséges paraméterek érdekében: például hogy megtudja, mely hálózati elemekre kell még rácsatlakozzon (ide tartozik az eNodeB szoftverének letöltése is), vagy hogy megtudjon bizonyos működési paramétereket (pl. frekvenciasáv) vagy paramétertípusokat, melyek a sugárzáshoz szükségesek. 
      Az S1-MME kapcsolatok felépítése az SCTP, legalább egy MME-hez való hozzárendelésével kezdődik. Amikor ez megtörtént, folyamatos információcsere kell történjen alkalmazási szinten, hogy az S1-MME működésbe lépjen. Mikor már megvan a kapcsolat az MME-vel, hozzá kell azt rendelni egy S-GW-hez is, hogy UP adatokat lehessen küldeni.
      Hogy a mobilitási vagy a cellaközi interferenciát felügyelő funkciók is működjenek, az X2 interfész beállítása ugyanazokon az elveken kell alapuljon, mint az S1-MME önbeállítása. A különbség onnan ered, hogy az eNodeB kezdetben az X2 kapcsolatot csak azokkal az eNodeB csomópontokkal létesít, melyeket az O&M kijelölt és lehetséges, hogy ez alkalmaztatva volt a környezeti szempontokhoz az ANR funkció révén (Automatic Neighbour Relationship), hogy továbbra is optimális X2 kapcsolat maradjon, a handover kéréseire alapozva. A paraméterek, melyek az X2 interfészen cserélnek gazdát a következőket tartalmazzák:

• globális eNodeB azonosító
• A cella specifikus paraméterei, mint a cella azonosítója (PCI - Physical Cell ID), a használt uplink/downlink frekvencia, frekvenciasáv, stb.
• melyik MME-re van csatlakozva (ami lehet MME együttes is - MME Pool)

A PCI-nél is lehetséges az automatikus beállítás, a 3GPP szabvány szerint. Ezért az O&M-ből egyéb paraméterek is érkezhetnek a többi mellett, melyek révén az adminisztrációs tevékenységek csökkennek.


Az alaprendszer architektúra-beállításában résztvevő interfészek és protokollok

      A következő ábra a CP típusú protokollokat mutatja, melyek egy UE - PDN kapcsolathoz kötődnek:

Egy MME interfészei két részben láthatók: az egyik az E-UTRAN és UE által használt protokollokra vonatkozik, a másik pedig az átjárók által használt protokollokat összesíti. A fehér hátterű négyzetekben 3GPP fejlesztésű protokollok vannak, míg a szürke hátterű négyzetekben lévőket az IETF fejlesztette és azokat a standard internetes technológiákat képviselik, melyeket az EPS átvitelnél használunk. A 3GPP ezeknek csak a felhasználási módjukat határozta meg. A legfelsőbb szint a CP-ben a NAS nevet kapta (Non Access Stratum), melyet két külön protokoll alkot, amiket az UE és MME közötti jelzés hordoz. A NAS szinten lévő protokollok láthatatlanok az eNodeB csomópontok számára, bár ezek is részt vennek a tranzakciókban, kivéve mikor üzeneteket vagy szállítási szintű jelzéseket kell továbbítani. A NAS szintű protokollok a következők:

• EMM - EPS Mobility Management protokoll: Az UE mobilitásának vezérléséért felelős. Csatolási, leválasztási, helyzetfrissítési funkciókkal bír. Ez utóbbit TAU-nak (Tracking Area Updating) nevezik, és akkor lép működésbe, ha az UE inaktív állapotban van. A csatlakozott állapotú adásokat (handover) alsóbb szintű protokollok irányítják, míg az EMM szintű funkciók újraaktiválhatják az UE-t az inaktív állapotból. Az UE csatlakozásának kezdeményezését a hálózatra szolgáltatáskérésnek hívjuk (Service Request), de híváskor (paging) a hálózat kezdeményez csatlakozást az UE-re. az UE hitelesítése és identitásának megörzése is az EMM szintjén zajlik, ahogyan a NAS szintű bitronsági funkciók irányítása is: a titkosítás és az integritás (az adatok teljességének mgőrzése).
• ESM - EPS Session Management protokoll: használható az UE és MME közti menedzsment kezelésére, továbbá az E-UTRAN hordozóinak menedzselési eljárásainál is hasznos.

A rádió interfész protokolljai a következők:

• RRC - Radio Resource Control: ez irányítja a rádiós erőforrások felhasználásának menetét. Az UE adat és a jelzési kapcsolatait kezeli, valamint adási funkciókkal is rendelkezik (handover).
• PDCP - Pachet Data Convergence Protocol: az IP fejlécek tömörítéséért felelős az UP-ben és az integritás megörzésében a CP-ben.
• RLC - Radio Link Control: a PDU adategységek feldarabolásáért (szegmentálás) és összefűzéséért felelős (amit a PDCP szállít), hogy el lehessen azokat küldeni a rádiós interfészen. Ezen kívül hibajavítást is végez az ARQ módszerrel (Automatic Repeat Request).
• MAC - Medium Access Control: az előkészített adatok kiküldésének módjáért felelős, figyelembe véve a prioritásokat, és multiplexeli az adatokat az egyes szintű szállítóblokkok számára. A MAC szintén végez hibajavítást a hibrid ARQ módszerrel.
• PHY - Physical Layer: ez az egyes szintje a rádiós interfésznek, mely a DS-CDMA funkciókat kezeli.

Az S1 interfész összeköti az E-UTRAN hálózatot az EPC hálózattal a következő protokollokat használva:

• S1AP - S1 Application Protocol: az UE CP-jét és az E-UTRAN-EPC kapcsolatok CP-jét is kezeli miközben részt vesz az adásban (amennyiben az EPC is részt vesz).
• SCTP/IP - Stream Control Transmission Protocol / Internet Protocol: standard IP átvitel, mely a jelzési üzeneteknek volt szánva. Az SCTP protokoll megbízhatóságot, egymást követő átviteli függvényeket biztosít (pl szekvencialitás, sorrend). Az IP protokoll önmagában többféle L2 (adatkapcsolati) szintű és L1 (fizikai) szintű technológián futhat, az elérhetőség függvényében.

Az EPC-ben két váltakozó protokoll van az S5/S8 interfész számára.  A következő protokollok akkor használatosak, mikor az S5/S8 interfészen a GTP protokoll fut:

• GTP-C - GPRS Tunneling Protocol - Control: Az UP (User Plane) kapcsolatokat kezeli az EPC hálózatban. Ide tartoznak a QoS jelzések és egyéb paraméterek is. A GTP-U átjárók kezelését is ez végzi, valamint mobilitási menedzsment funkciókat is ellát az EPC hálózaton belül. Például, mikor az UE GTP-U átjáróit egyik csomópontból a másikba kell kapcsolni.
• UDP/IP átviteli protokoll: az UDP protokollt a TCP helyett használják, mivel a magasabb szintek már garantálták a megbízhatóságot a pótolási és újraküldési módszereikkel. Az EPC hálózat IP csomagjai többféle L1 és L2 szintű technológián közlekedhetnek, mint például az Ethernet vagy az ATM.

A következő protokollok akkor használatosak, mikor az S5/S8 interfészen PMIP protokoll fut:

• PMIP - Proxy Mobile IP: ügyeli a mobilitási menedzsmentet, de nem rendelkezik semmiféle hordozó-menedzselési funkcióval.
• IP: A PMIP közvetlenül az IP protokollon működik, a standard IP átvitelnél használják.

A következő rajz egy P-GW-hez csatlakozó UE mobilkészülék UP (User Plane) protokolljának struktúráját mutatja:

Az UP olyan alszinteket tartalmaz, melyek az IP szinttel vannak összehasonlítva. A protokoll struktúrája nagyon hasonlít a CP struktúrájához. Ez azért van, mert a teljes rendszer általános csomagok szállítására volt tervezve, és az CP jelzései, akár az UP adatai is mind csomagok, melyek csak nagyságukban különböznek.  Az ide tartozó protokollok nagy része már említésre került, kivéve a következő kettőt:

• GTP-U - GPRS Tunneling Protocol - User: akkor használatos, mikor az S5/S8 interfész GTP protokollt futtat. A GTP-U alakítja ki a GTP-U átjárót, amit a felhasználók IP csomagjainak küldésére használnak, amennyiben ezek egyazon EPS hordozó részesei. A GTP-U protokollt az S1-U interfészen használják, valamint az S5/S8 interfészen, amennyiben a PC a GTP-C protokollt használja.
• GRE - Generic Routing Encapsulation: az S5/S8 interfészen a PMIP protokollal használandó együtt. A GRE egy IP-t alkot az átjárón melyet egy UE használ, hogy átküldje az adatait egy PDN hálózatba. A GRE közvetlenül az IP szintjén található, ahol az UDP protokollt nem használjuk.

A lenti ábra az X2 interfész protokollstruktúráját mutatja, mely hasonló az S1 interfészével:

Tulajdonképpen csak CP alkalmazási protokollja különbözik. Az X2 interfész az eNodeB csomópontok közti mobilitásban játszik fontos szerepet, ahol az X2AP ezen reláció általános kezelésére és adás-előkészítésére kínál funkciókat. Az X2 UP-je az adatokat az UE átmeneti állapotába továbbítja az adás során, vagy mikor a rádiós interfész már levált az adóról, de a vevő oldalon ez még nem történt meg. Az adattovábbítás a Downlink adatokra vonatkozik, mert az Uplink adatokat az UE hatékonyabban tudja kezelni.


Roaming (átlépés) az alaprendszer architektúrájának beállításában

      A roaming egy fontos képesség, mely segítségével a rendszeroperátorok felkínálhatják hálozatukat más hálózatoknak. A "származási" és "látogatott" kifejezések gyakran előtagjaik azon architekturális szavaknak, melyek leírják, hogy honnan jön az előfizető és hová lép tovább.
      A 3GPP SAE specifikációi meghatározzák azokat az interfészeket, melyeket az operátorok egymás között használhatnak, valamint olyan szempontokat, melyek hasznosak az operátorok hálózatai közti határ átlépésekor. A hálózatok kapcsolatai mellett, a roamingnak szükséges az is, hogy az operátorok közös megegyezésre jussanak a szolgáltatás-szintű dolgokban, például, hogy mely szolgáltatások lesznek elérhetőek a roamingoló felhasználónak, ezeket hogyan lehet fenntartani úgy, hogy annak nyilvántartása és adóztatása is megmaradjon.
      A megállapodást Roaming Agreement-nek nevezik. Mivel a 3GPP szabványa nem vonatkozik erre a területre, a 3GPP technológiát használó operátorok maguk beszélik meg a fontosabb szempontokat egy privát fórumon, melyet GSM Association-nak hívnak. Itt már sok ajánlat született a követelményeknek való megfelelésről.

      A SAE-nek meghatározott roaming az előzőkben említett 3GPP architektúrákhoz hasonló elveken alapszik. Az E-UTRAN hozzáférési hálózat mindig a látogatott hálózatban van, de az adatok vagy átirányíthatók más származási hálózatokhoz vagy pedig kitörhetnek külső hálózatokhoz, közvetlen a látogatott hálózatból. Ez az aspektus két roamingolási módszert különböztet meg, melyet a SAE is támogat:

1. A származási hálózatból való irányítás modellje (útválasztás, melyet a származási hálózat végez): A P-GW, HSS és a PCRF a származási hálózatban van, míg az S-GW, MME és a rádiós hálózat a látogatott hálózatban. Ebben a roaming-beállításban a P-GW és S-GW közti interfészt S8-nak hívják. Az interfész neve akkor S5, ha a P-GW és S-GW egyazon hálózat része. Az S5 és S8 interfész teljesen egyforma technikai szemszögből. Amikor az S8 a GTP protokollt használja, akkor a roaming architektúrája a fenti ábrának jobb oldalával talál (a Gxa interfész nem alkalmazható GTP-vel). Ha viszont PMIP protokollt használ, akkor a PCRF látogatott és származási csomóponttá válik szét, köztük az S9 interfésszel. Ebben az esetben a roaming architektúrája a fenti ábra bal oldalán látható. A származási hálózatból való irányítás modelljét ugyanígy alkalmazzák az örökölt (korábbi architektúrából származó) 3GPP rádiós csomópontokon is, azzal a különbséggel, hogy az SGSN a látogatott hálózathoz tartozik.
2. A helyi kitörés modellje: Ez a modell a fenti ábra jobb oldalán látható, aho  a P-GW a látogatott hálózatban, a HSS pedig a származási hálózatban található. Ha dinamikus vezérlési politikát használunk, akkor még két PCRF jön képbe: egyik a származási, másik a látogatott hálózatba. Annak függvényében, hogy melyik operátor szolgáltatása van használatban, annak a hálózatához tartozó PCRF fog az AF-hez csatlakozni. Ezekkel a korlátokkal, a helyi kitörés modellje működni fog az örökölt 3GPP rádiós csomópontokkal is.

MIMO

      A MIMO (Multiple In, Multiple Out), azaz több vevő és adóantenna használata lehetővé tesz több független csatornát egyazon térben és időben, ami miatt ez ígéretes területnek számít a vezeték-nélküli kommunikációban. A sokféle elrendezési lehetőség mellett az antennarendszer az energia irányítására is alkalmas (a sugárzólebenyek megváltoztatása), valamint arra is, hogy párhuzamos csatornákat létesítsen az egységes adatfolyam számára (térbeli multiplex). A MIMO elsősorban a mikrohullámoknak készült, de kiterjeszkedett a helyi vezeték-nélküli hálózatok piacára is. Elsősorban azért, mert javítja a pont-pont kapcsolatok megbízhatóságát, a lefedettséget és a robusztusságot. 

A MIMO rendszerek intelligens antennákat hasznának az adásnál és a vételnél is, melyek kompatibilisek az IEEE 802.11b és 802.11a/g szabványokkal. Az IEEE 802.11n szabvány már a MIMO technológiára alapozik, mert így a sávszélesség akár 300Mbps-re is nőhet (amennyiben párhuzamosak maradnak az adatfolyamok ugyanazon frekvenciatartományon belül). Ezt a technológiát térbeli multiplexnek nevezik, mert a párhuzamos adatfolyamok ugyanazon a csatornán közlekednek.
      Az eddig említettek alapján a MIMO kommunikációs rendszer a következőket tudja:

• növeli a rendszer teljesítményét (kevesebb bithiba egy csomagban)
• növeli az adatsebességet egy csatornán, tehát a rendszer kapacitását
• növeli a lefedettséget
• csökkenti a szükséges sugárzási energia mennyiségét

Ezeket sajnos nem tudja mind egyszerre teljesíteni. Például az adatsebesség növelésével nő a hibaarány is. Éppen ezért a MIMO kialakításánál külön figyelembe kell venni mind a négy szempontot, nem beszélve a költségekről és a rendelkezésre álló területről. Habár minden egyes antenna plusz költséggel jár, az antennatömbök nyújtotta nyereség ezt annyival felülmúlja, hogy nem is kétség, hogy a közeljövőben a MIMO-nak fontos szerepe lesz a vezeték-nélküli kommunikációban.

A MIMO átviteli elve
      A legtöbb Wi-Fi rendszer szinguláris átvitellel kommunikál, azaz csak egyetlen adatfolyam létezik az adó és a vevő között. Egy másik adás ugyanazon a frekvencián interferenciát okoz, mely rontja a kommunikációt. De vegyük észre, hogy a rádióhullámok szétterjednek és mindenféle akadályról visszaverődnek (más-más szögben és időben) amit a vevő szintén vesz és interferenciaként kezel. Az LTE (Long Time Evolution) technológiában azonban ezeket a visszaverődött hullámokat arra használják, hogy több adatfolyamot továbbítsanak velük. Több antennát, legfeljebb fél hullámhossznyira helyeznek egymástól, amik jelei egyéni szögekben és időkben fognak visszaverődni az akadályokról. A vételi oldalon, ami szintén egy hasonló antennarendszer, a beérkező jelek más-más antennát fognak eltalálni, tehát amit egyik interferenciának vél, azt a mellette lévő hasznos jelnek értelmezheti.
      Gyakorlatilag az adó a rádiójeleket ugyanakkor, ugyanazon a frekvencián küldi, viszont más antennákon. Az LTE szabvány egyelőre csak 2x2 és 4x4-e MIMO-t különböztet meg, azaz 2 valamint 4 párhuzamos csatornát, ami 2 valamint 4 antennát igényel az adó és a vevő oldalon is. Nyilvánvaló, hogy a 2x2-es az átviteli sebességet a duplájára növeli, míg a 4x4-es a 4-szeresére. A hordozható készülékekben (pl. mobiltelefon) valószínűbb a 2x2-es MIMO, mert kevés a hely és a két antenna legalább fél hullámhossznyira kell legyen egymástól. Emellett sok hordozható vezeték-nélküli készülék több sávban is képes üzemelni, melyekhez ismét külön antennák szükségesek. A fél hullámhossznyi távolság 180 fokos fázistolást jelent, tehát a két antenna mindenképp keresztpolarizációjú (ha az egyik vízszintes, akkor a másik függőleges polarizációjú). A dupla, vagy 4-szeres sebesség csak ideális esetben igaz, ezért a MIMO rendszert csak downlink átvitelre használják, hiszen az adó energiafogyasztása kevésbé korlátozott mint az akkumulátorral rendelkező uplink vevő. Az LTE tehát nem szabványosítja a MIMO-t uplink átvitelre is. Az antennák intelligensek, mert rossz átviteli körülmények között a rendszer automatikusan átáll szinguláris átvitelre 64QAM, 16QAM vagy QPSK modulációt használva. Mindig szoros kapcsolat van a két mód között. Hogy teljes mértékben kihasználható legyen a rádiócsatorna (azaz legyen uplink átvitel is), egyes cégek a kollaboratív MIMO-t szeretnék használni (amit többfelhasználós MIMO-nak is neveznek). Ez abból áll, hogy két mobiltelefon ugyanazt a csatornát használja uplink-re (amennyiben ugyanannak MIMO-nak a cellájában vannak), amivel így egy telefon fele annyi energiát használ mintha MIMO-val küldené a jeleket. A vevő oldalon a két uplink adatfolyamot a MIMO külön veszi és külön is kezeli, tehát nem úgy, mintha egy készülékből érkezett volna. Bár ez nem növeli az uplink sebességet, de mégis növeli a cella teljes kapacitását.

      Alapvetően, egy MIMO kommunikációs rendszerben egy bejövő adafolyam Nt különböző adafolyamra bontható. 

 Ha az adatfolyamok mindegyike külön dekódolható, akkor a névleges spektrális hatékonyság is Nt-szer lesz nagyobb. Ez azt jelenti, hogy egyetlen antenna hozzáadása is jelentősen megnöveli az adafolyam megbízhatóságát. A matematikai standard modellben, a vett jel: y = Hx + n

ahol vett adatvektor mérete y = Nr x 1, a csatorna mátrixa H = Nr x Nt, az elküldött adatvektor mérete pedig x = Nr x 1, hasonlóan a zaj méretével n = Nr x 1. Tipikus esetben a küldött adatvektor Nt-vel van normalizálva, úgy, hogy x vektor minden szimbóluma εx/Nt átlag energiával rendelkezik. A csatorna mátrix a következőképp írható fel:

 

ahol Nt az adóantennák indexe (t - transmission), Nr a vevőantennák indexe (r - reception), hij pedig a csatorna együtthatói a j adóantennától az i vevőantennáig, leírván az összes lehetséges útvonalat a két antenna között. Ezek különböző szintekre csoportosíthatók, melyek számát a mátrix rangja adja. Általában azt feltételezzük, hogy a fenti mátrix és a zajvektor elemei is komplex Gauss változók, függetlenek és azonos eloszlásúak, zéró médiával, valamint kovarianciás mátrixok:

Lineáris algebrával bebizonyítható, hogy Nt adatfolyam dekódolása lehetséges, amennyiben létezik Nt darab nem-nulla sajátérték a csatorna mátrixában, vagy rang(H)≥Nt.

Korlátozások

      Hogy reálisan ki lehessen értékelni a MIMO adottságait a WiMax rendszerekben, le kell szögezni, hogy a legismertebb eredmények a térbeli multiplexről az  y = Hx + n egyenletre épülnek. Ez a következő feltételekkel jár:

• mivel a H mátrix elemei véletlenszerűen skalárisak, feltételezzük, hogy nincs többutas hullámterjedés, tehát a fading lapos (frekvenciában nem szelektív);
• mivel a jelek azonosan elszórt, de független valószínűségi változókként vannak kezelve, nem-korreláltnak tűnhetnek;
• általában az interferenciát kizárjuk, a termikus zajt meg elhanyagolhatónak tekintjük

Többutas hullámterjedés
      Mivel a WiMax rendszerek sávja elég széles, nagyobb távolságokban elvárjuk, hogy a többutas hullámterjedés fontos szerepet játszon. Tehát a feltételezés, hogy a lapos fadinggel van dolgunk, valószerűtlen. Csakis akkor, ha az OFDM technológiát alkalmazzuk, a frekvenciában szelektív fadingű csatornák átalakulhatnak L darab lapos fadingű párhuzamos csatornákká. Hogyha a MIMO-ban elegendő OFDM alvivőt használunk, akkor L darab párhuzamos MIMO rendszert kapunk, amire az y = Hx + n ismét reális lesz. Mivel a WiMax az OFDM-en alapszik, a lapos fadingű MIMO csatornamodell elfogadható marad.


Nem-korrelált jelek
      A MIMO rendszert korrelált jelekkel elemezni nagyon nehéz, ezért is követik azt a feltevést miszerint a térbeli változatok nem korreláltak, azaz függetlenek és egyformán Gauss eloszlásúak. Egyetlen felhasználónak, az azonos eloszlású (azonos átlagteljesítményű) csatornák elfogadhatónak számítanak, bár azok térben korreláltak. Másfelől a mobiltelefonok antennái is inkább nem-kolleráltak, bár az átlagteljesítményük nagyon változik.
      Egy felhasználó MIMO csatornáját nézve, a magas korreláció oka két fő oka a következő:

1. elégtelen távolság az antennák között
2. elégtelen szórás a csatornán

Az első (1.) probléma akkor következhet be, ha nincs elég hely az antennáknak. A második (2.) pedig akkor, ha az adónak közvetlen rálátása van a vevőre, vagy ha sugárzás irányított (a sugárzási lebeny befolyásolása vagy direktív antennák használata). Más szóval nagyobb szórás igénye konfliktusban áll a nagy távolságokra történő adásvétel igényével. Mindazonáltal, a kutatások kimutatták, hogy sok, nem-korrelált jelre alapozó MIMO eredmény érvényes a kis korrelációjú esetekre is.


Interferencia korlátozott MIMO rendszerek
      A  y = Hx + n egyenlet használatának harmadik korlátja (a csatorna zaja Gauss-féle és nincs korrelációban a küldött adatokkal) irreálisnak tekinthető a cellás MIMO rendszerekben. Minden celluláris rendszer, természeténél fogva interferencia korlátozott. A downlink kapcsolat esetében, ahol a MIMO a legéletképesebb, létre fog jönni Ni+Nt interferencia.
      Nagyon nehéz, hogy egy mozgó MIMO vevő megbirkózzon úgy az Nt térbeli interferenciával, mint az Ni intercelluláris (cellaközi) interferenciával. Kimutatták, hogy minél több az adóantenna, a MIMO rendszerek kapacitása annál kisebb hacsak le nem korlátozzák a térbeli interferenciákat. A WiMax esetén a cellák közötti interferencia a legnagyobb probléma. Sok megoldást találtak erre: interferenciaérzékelős vevők, a többcellás teljesítmény szabályzása, osztott antennarendszerek használata, multi celluláris koordináció, stb de ezek közül még egyik sem kapott helyet a WiMax szabványában.


A MIMO technológia funkciói
      A MIMO 3 alapkategóriába sorolható:

1. Precoding (előkódolás)
A hullámnyaláb formációjának általánosítása, mely támogatja a vezeték-nélküli kommunikációt és ezzel együtt a térbeli multiplexet is. Mindenik antenna küld egy jelet úgy, hogy a jelerősség maximális legyen az adó kimenetén. Ezt egy "W" előkódoló mátrix alkalmazásával érik el. A terminál visszajelzést küld a vezérlőcsatornán (az uplink-en) kiválasztván az optimális W mátrixot (akkor optimális ha a csatorna kapacitása maximális). Általában ez az információ egy bizonyos kategóriájú erőforrásra érvényes (de legalább egy bizonyos erőforráscsoportra), mivel az optimális mátrix minden erőforráscsoportnál más és más.

2. MIMO Spatial Multiplexing (térbeli multiplex)
A 802.11n szabványosította és célja, hogy megnövelje a csatorna kapacitását az adatfolyamok számára, melyek ugyanazon a vivőfrekvencián közlekednek. Ahhoz, hogy a többszörös térbeli adatfolyam létrejöjjön több adó és vevő antenna és különböző, nem-korrelált útvonal szükséges. Az útvonalak polarizált antennákkal vagy többutas csatornákkal jöhetnek létre. A térbeli multiplex az, ami lehetővé teszi az egyidejű downlink adatfolyamokat, melyek lehetnek egy (SU-MIMO) vagy több (MU-MIMO) felhasználó adatfolyamai is. Míg az SU-MIMO-nak mindez nagyobb átviteli sebességet jelent, addig az MU-MIMO a teljes kapacitás növekedését észleli.

 

Az adó oldalon mindenik antenna más adatfolyamot küld, a vevő oldalon pedig mindenik veheti az összes jelet. Mindenik csatorna felírható H mátrixként (az adott késéssel).

3. Diversity Coding
      Az ilyen MIMO rendszerekben a bázisállomásnak n antennája, míg a mozgó állomásnak m antennája van. Az elküldendő adatokat előbb kódolják, majd egy soros-párhuzamos átalakítás után n darab különböző tartalmú vektort kapnak. Mindenik adatvektor egy impulzusformáló áramkörbe kerül, mely kimenete a modulált jel lesz. Ez megnöveli a rádiócsatorna hatékonyságát és együtt a többantennás MIMO rendszerrel, ahol a kódolás után az információdarabkák több csatornán párhuzamosan távoznak, még jobban növeli a hatékonyságot. A vevő oldalon ezeket az adatvektorokat újra kell kombinálni (ami növeli a feldolgozási késést, de elegendő memóriával nincs hatással az adatsebességre vagy az adatok helyességére (pl adatveszteség miatt) ).
Downlink (letöltési kapcsolat)
      Az LTE letöltési kapcsolatnak egy 2x2-es MIMO rendszert veszünk figyelembe, azaz 2 adó és 2 vevő antennát. A 4 antennás kivitelezést is figyelembe szokták venni.
Uplink (feltöltési kapcsolat)
      Az LTE feltöltési kapcsolatnál figyelembe kell venni a problémákat amik a terminálokban felléphetnek, ezért ezek eltérnek a letöltési kapcsolatok felépítésétől. Egy uplink-nek lehet használni például egy MU-MIMO-t. Több felhasználó ugyanazt az erőforrást használhatja. Ezt az eljárást SDMA-nak (Space-Division Multiple Access) nevezik és egy antenna is elegendő. 


A MIMO technológia formái

SISO (Single Input, Single Output)

      A hagyományos rádióadók egy antennát használnak adásra és egyet vételre. Így működik a TV, a rádió vagy bármilyen személyes vezeték-nélküli hálózat (Bluetooth, Wi-Fi stb).


SIMO (Single Input, Muliple Output)

      A hatékonyság növeléséhez a vevő oldalra több antennát is lehet szerelni, aminek így lehetősége lesz a legjobb jel közül választani, vagy akár kombinálhatja is a két jelt megnövelvén a jel/zaj arányt (SNR).


MISO (Multiple Input, Single Output)

      Az előző fordítottja. Az esély, hogy a küldött jel a vevőhöz ér sokkal nagyobb.

A MIMO-OFDM csatorna paramétereinek megbecslése
      Ha egy MIMO rendszerben OFDM-et (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) használnak, akkor fontos a csatorna állapotáról némi információt ismerni, a vett jelek koherens felismerésére és zavarmentesítése érdekében. Ezek az információk akkor is hasznosak, ha a MIMO átvitel zárt hurokban történik. A becslés kétféleképp történhet: képzéssel vagy "vakon". A képzéses becslés során ismert szimbólumokat küldenek amit a vételi oldalon lévő algoritmus feldolgoz, elősegítvén a becslés menetét. A vakbecslés során a vevő ismeretlen szimbólumok alapján kell megbecsülje a csatorna paramétereit. Vakbecslés valamivel mégis hatékonyabb, mert nem kell levágni sávszélességből az ismert szimbólumok számára és így gyorsabban lezajlik a folyamat. A képzéses becslés viszont megbízhatóbb, ezért a WiMax szabvány is inkább ezt használja,

Kísérleti fejlécek és szimbólumok
      Kétféleképp lehetséges képzési szimbólumokat küldeni: fejléctónus vagy kísérleti tónus. A fejléctónus olyan képzési szimbólum, mely a jelátvitel előtt kerül kiküldésre (az OFDM esetén egy vagy két ilyen szimbólumot használnak). A kísérleti tónus pedig az ismert kísérleti szimbólum, melyet két alvivő közé iktatnak be. A MIMO-OFDM rendszerekben a csatornák becslését előbb a fejléccel (szinkronizálás, előbecslés) majd a kísérleti tónussal végzik, hogy az időben változó csatorna jól követhető legyen és megmaradjon a becslések pontossága.
      A MIMO-OFDM rendszerben mindenik antenna veszi az összes Nt antenna által küldött jelt. Ezért a jó becslés érdekében a képzési jelek az antennákból kölcsönös interferencia nélkül kell távozzanak. A következő ábra 3 tipikus MIMO-OFDM sémát ábrázol, mely megakadályozza a kölcsönös interferencia létrejöttét.

A független szimbólumú séma esetén egyszerre csak egy antenna küld képzési jelt, a többi hallgat. Tehát egy NtxNr csatorna Nt képzési szimbólummal becsülhető meg. A szétszórt séma esetén a képzési szimbólumokat mindenik adó más-más alvivőn küldi, míg a többi nem használja a képzésre lefoglalt alvivőket. A keresztirányú sémánál matematikai szemszögből a jelek keresztirányban hagyják el az antennákat, hasonlóan a CDMA-hoz (Code Division Multiple Access). A független szimbólumú sémá a leggyakrabban használt a MIMO-OFDM rendszerekben, mert a fejléc időtartományban jön létre. A kísérleti tónus elküldésére bármelyik séma alkalmazható, akár kombinálva is. A MIMO-OFDM rendszerekben a kanális frekvencia tartományú információira is szükség van, hogy mindenik alvivőn észlelni lehessen az adatszimbólumokat. Mivel a fejléc kísérleti szimbólumokból áll mindenik alvivőn, a csatorna frekvenciaválasza megbecsülhető egyszerű interpolációs technikákkal. Az OFDM adatszimbólumokban kevés kísérleti tónus is található, tehát szükséges a becslések közti interpoláció. A lenti ábrán a képzési szimbólumok felépítése látható:

Az egydimenziós (időben vagy frekvenciában) vagy kétdimenziós (időben és frekvenciában) interpolációt jól ismert lineáris interpolációs algoritmusokkal lehet elvégezni, vagy FFT-vel.

A csatorna idő és frekvenciatartománybeli becslés összehasonlítása
      A MIMO-OFDM csatornákat meg lehet becsülni úgy időben, mint frekvenciában. Az időtartományban vett jelt fel lehet használni a csatorna impulzusválaszának megbecslésében, valamint felhasználható frekvenciabecslésre is, ha FFT-vel átfordítjuk frekvenciatartományba. A becslések során feltételezzük, hogy a többi antenna nem okoz interferenciát, ami a fent említett sémákkal megvalósítható. Ebben az esetben az i és j együtthatói elhanyagolhatók. Ez a módszer tökéletesen működik az egy-egy antennás OFDM rendszerekben is.

A csatorna megbecslése időtartományban:
      A fejléc- vagy kísérleti tónusokon alapuló becslési módszerek az ismert szimbólumok számában különböznek. Egy fejléc-tónuson alapuló becslésnél az időtartományban, ismétlődő előtaggal, a vett OFDM képzési szimbólum a következő mátrixszal fejezhető ki:

ahol y és n a vett OFDM szimbólum és az AWGN (Additive White Gaussian Noise) zaj L darab mintavétele. Az x(l) az küldött OFDM szimbólum l-edik mintavétele, h(i) pedig a csatorna impulzusválaszának i-edik mintavétele. Ezzel a mátrixos leírással, a csatorna becslése, ^h megkapható a legkisebb négyzetek módszerével vagy a négyzetes átlaghiba minimalizálásával.

A csatorna megbecslése frekvenciatartományban:
      Ez könnyebben elvégezhető, mint időtartományban. A fejlécen alapuló becsléskor az l alvivőn fogadott szimbólum: Y(l)=H(l)X(l)+N(l). Mivel X(l) már előre ismert a vételi oldalon, az alvivők frekvenciaválaszai könnyen kiszámíthatók a legkisebb négyzetek módszerével. Hasonlóképp, a kísérleti szimbólumokon alapuló becslésnél is, a vett szimbólumok:
Y(l)=H(l)X(l)+N(l).
      A legkisebb négyzeteken alapuló becslés nem a leghatékonyabb módszer zajos környezetben, interferenciákban, mivel nem veszi ezeket figyelembe. A becslések viszont javíthatóak több eredmény átlagolásával vagy az átlag négyzetes hibák minimalizálásával (MMSE - Minimum Mean Square Error). Az MMSE precízebb mert óvatosabb közelít, a zaj nagyságára és a csatorna kovarianciás mátrixának statisztikájára  alapszik. Az MMSE becslés hátrány a frekvenciatartományban az, hogy igényli a csatorna kovarianciás mátrixának ismeretét úgy frekvenciatartományban, mint időtartományban is. Mivel a vevő nincs előre birtokában ennek az információnak, ezt is becsléssel kell meghatározni, az előző becslések alapján. A mozgó alkalmazásoknál a csatorna tulajdonságai hamar megváltoznak, ezért nehéz a kovarianciás mátrix pontos becslést fenntartani. Az ilyen helyzetekben a lehet, hogy csak részinformációt kapunk a csatornáról.

• A térbeli sokféleség jelentős növekedést nyújt a megbízhatóság szempontjából, az adóteljesítmény 10-100-szoros növekedéséhez képest.
• A nyereség sokfélesége antennatömbök használatával érhető el az adó, vevő vagy mindkét oldalon.
• A sokféleségtől és a sugárzási lebeny-formáló technikáktól eltérően, a térbeli multiplex lehetővé teszi több adatfluxus párhuzamos továbbítását.
• Mivel a többszörös antenna technikák igénylik a csatorna állapotáról szóló információk ismeretét, a MIMO-OFDM csatorna megbecsülhető a vevő oldalon, és ez visszaküldhető az adónak a teljesítmény javítása érdekében.
• A MIMO technológia használata jelentős előnyöket nyújt: jobb lefedettség, ami főleg olyan helyeken hasznos ahol nagy távolságon belül csak egy hozzáférés pont található, ami egy akadállyal teli terepen olyan zónákat eredményez ahol nem vehető a jel, vagy éppen a távolság növekedésével gyengül. A széles sávú alkalmazások is élvezik a MIMO előnyeit, mint például a valós idejű videostreaming vagy voicestreaming, vagy akár az online játékok. Mivel kompatibilisek a jelenlegi termékekkel, nagyon jó megoldás a hatékony vezeték-nélküli hálózatok kialakításában.