Celluláris hálózatok

      A rádiókommunikáció az 1890-es évek elejére vezethető vissza, amikor Nikola Tesla felfedezte és bizonyította a rádióhullámok létezését. 1897-ben Marconi szabadalmaztatta a találmányt, 1902-ben pedig megtörtént az első transzatlanti rádiós átvitel 272kHz-en. Ezek csak impulzusok voltak, melyekkel üzeneteket küldtek, ám 1906-ban már a hangátvitel is megvalósult az amplitúdó-moduláció segítségével. Az első világháború során (1914-1918) felgyorsult a rádiós technológiák fejlődése, feltalálták az elektroncsövet, a háború végével (1920) pedig megkezdődött a kereskedelmi rádiós műsorszórás. Idővel magasabb frekvenciákon is sugároztak (2.3-25.82MHz), majd 1935-ben Edwin Armstrong bevezette a frekvencia-modulációt. Mivel a rádiózás igen elterjedté vált, a frekvenciákat rendszerezni kellett (FCC – Federal Communications Commision). Következett a második világháború (1939-1945), ami ismét felgyorsította a technológiai fejlődést, a rádiós területen főként a radar fejlődött sokat, ám ekkor terjedtek el az első adó-vevők (Motorola), melyeknek az angol „walkie-talkie” neve abból adódott, hogy hátizsákként kellett hordozza a berendezést a katona. Volt ennek egy kisebb és gyengébb teljesítményű változata is, a „handie-talkie”, amely teljes egészében tartható volt fél kézzel.

Ezekben még elektroncsövek voltak és 20-27MHz-en működtek. Későbbi változatai 47-55MHz frekvencián és FM modulációval működtek. Az információcsere közvetlenül a két kommunikáló fél között zajlott, nem volt köztük bázisállomás. A kommunikáció fél-duplex volt, azaz kétirányú, de nem egyidejű. Az adóvevő alap üzemmódja a vevő üzemmód volt, az adáshoz meg kellett nyomni egy „Push To Talk” (PTT) gombot ami egyben a vevő üzemmód kikapcsolását jelentette. A háború végével a kis teljesítményű de praktikusabb handie-talkie hatótávját igyekeztek növelni köztes relék (újraküldő állomások) beiktatásával. Ezek célja a jelek felerősítése. Továbbra sincs szó telefon-hálózatról, mert a PTT kapcsolat azonnal létrejön a gomb lenyomásával, nincs tárcsázás vagy azonosítás. Ugyanez érvényes a csoportos kommunikációra is, egyetlen gombnyomással csatlakozni lehet az azonos frekvencián zajló beszélgetéshez. A köztes relé lehetővé teszi több adóvevő együttes kapcsolatát és ekkor már kommunikációs rendszerről beszélünk.Az adóvevőket hordozható telefonnak nevezték, mert bár nem voltak fix helyhez kötve, de a használatuk során többnyire fix pozícióban kellett maradjon a felhasználó. A mobil, azaz mozgatható telefonról akkor lesz majd szó mikor a készülék képes lesz elviselni a gyors mozgás okozta frekvencia eltolódásokat (a doppler effektust).

      A köztes relé feladata a vétel és az újraküldés. Ezt végezheti passzívan (nem módosítja a frekvenciát) vagy aktívan (más frekvencián küldi újra a jelet). Mindkét esetben a jelerősség növelése a cél. A frekvencia módosítása akkor válik előnyössé, amikor több relén át történik az átvitel. Például, ha két távoli adó-vevő ugyanazon a frekvencián nyit meg 1-1 csatornát és véletlenül ugyanazon a relén történik az újraküldés, akkor interferencia keletkezik az azonos frekvenciák között. Emiatt a reléket úgy kell megtervezni, hogy a frekvenciák amikre fordítanak függjenek a relék fizikai pozíciójuktól, azaz két szomszédos relé ne fordítson ugyanarra a frekvenciára. Így alakultak ki a celluláris hálózatok, ahol minden cella egy-egy relé lefödöttsége területét jelenti. Ezeket nem lehetett közvetlenül a fix-telefonos hálózathoz kötni, mert azok akkor már hosszadalmas tárcsázós protokollal kezdeményezték a hívást és nem egy egyszerű gombnyomással. Egyébként is az full-duplex rendszer volt, azaz egy időben adott és vett is, amit vezetékekkel nem nehéz megvalósítani. A rádióhullámokkal már nehezebb full-duplex adás-vételt megépíteni, mert a készülék a saját adását is veszi (öninterferencia). Mivel az ember annyira nem érzékeny a milliszekundumos kiesésekre, ha ilyen sebességgel kapcsolgatjuk az adás-vétel üzemmódot, akkor úgy tűnik, hogy a kommunikáció folytonos (az IEEE 802.11 adatátviteli szabvány még ma is így működik), bár mégis fél-duplex. Ebben az esetben az adás és a vétel ugyanazon a frekvencián is történhet, ám előnyösebb eltérő frekvenciát (és széles sávú antennát) választani, hogy a visszaverődött jelek kiszűrhetőek legyenek. Ha az adás és a vételi frekvencia különbözik, akkor már egyszerre is használható a kettő (full-duplex), csakhogy egy antenna sem képes egy időben adni és venni is. Ebben az esetben külön antenna kell adásra és külön vételre. A mobiltelefonok a kapcsolgatásos módszerrel működnek, egy antennát használnak adásra és vételre más-más időben és különböző frekvenciát. Az újakban már ott van egy másodlagos (diversity) vevőantenna is ami vételi jelerősséget növeli, de a harmadik generációs telefonokig ez nem volt jelen. A mobiltelefon az antennákat fél-duplex módban kapcsolgatja, hogy a beszélgetés folytonosnak (full-duplexnek) tűnjön.A mobilkommunikációs szabványokat akkor kezdték generációkba sorolni, amikor megjelentek az első nyílt hálózatok a magánszemélyek számára is, melyek rácsatlakoztak a vezetékes telefon hálózatra.

      A vezetékes telefon hálózat az analóg POTS (Plain Old Telephone Service) rendszer volt. Minden felhasználóhoz két vezeték tartozott(a "tip" és "ring"-ből álló jack dugó), mely a telefon 48V-os DC tápfeszültségét, a csengetés 20Hz-es 90Vrms AC feszültségét és a full-duplex kommunikációt biztosította egyszerre. A kommunikációs csatornák nem kell más-más frekvencián működjenek, hisz a kapcsolat közvetlen, vezetékes. A hívó betárcsázza a telefonszámot, ami a forgatógombos telefonnál különböző számú impulzusokat, a nyomógombos telefonnál pedig a számhoz tartozó tónust küldi a telefonközpontba. Az beazonosítja a keresett vonalat, megvizsgálja, hogy foglalt-e és ha nem, akkor csengő impulzusokat küld. A kapcsolat létrejöttével a hang információ 3KHz-es sávon (400Hz-3400Hz) történik, ami épp elegendő az emberi hang felismerésére és megértésére. A full-duplex kommunikáció 2 vezetéken azt jelenti, hogy a 2 vezeték a mikrofon és a hangszóró jelét is hordozza. Ez a "hibrid áramkör" segítségével lehetséges, ami a mikrofon és a hangszóró 2-2 vezetékét 2 vezetékké alakítja. A működés kulcsa az impedancia illesztés.

A lényege, hogy a mikrofon és hangszóró ne lássa egymást, amit kezdetben transzformátorral és tekercsekkel, később műveleti erősítőkkel valósítottak meg. A fenti ábrán egy olyan transzformátor választja el a mikrofont a hangszórótól, aminek primer és szekunder tekercse 2-2 fél-tekercsből áll. A piros nyíllal a beszéd közbeni áramirány van bejelölve. Ilyenkor a mikrofon árama két felé oszlik és nagysága csak akkor lesz egyforma értékű, ha a kiegyenlítő (vagy vonalutánzat) impedanciája azonos a telefonhálózat Tip-Ring csatlakozási impedanciájával. Ha ez teljesül, akkor ez a két tekercs egymással ellenirányú áramot indukál a másik két tekercsben, így a mikrofon jele nem lesz hallható a hangszóróban. Látható hogy a mikrofon áramának egyik fele a kiegyenlítőben végzi, tehát ez az eljárás a mikrofon teljesítményének a felét adja a hálózatra (3dB veszteség). A beérkező jel esetén mindkét nyíl azonos irányba mutat, így az indukció során is azonos irányú áram lesz a szekunder tekercsekben, és a hangszóró megszólal. Ha a jelátvitel szélessége nagy, akkor a frekvencia nagyobb mértékű változásával nem mindig ugyanaz lesz a vonal impedanciája. Ezt a kiegyenlítő nem tudja követni, viszont javítható a feléje tartó áramerősség nagysága, ha előbb kivonjuk beérkező jelből a mikrofon és a kiegyenlítőből visszafordult (reflektált) jelet. Ezt visszhangmentesítésnek hívják és inkább a digitális szűrők világában van megfelelően kivitelezve.

      A hordozható telefon esetén a bázisállomás közvetlenül kapcsolódott a telefonközpontra. Városonként egy vagy két bázisállomásról van szó, melyeknek 2-3, nagyobb városokban 7 csatornájuk volt. Ez nagyon kis kapacitást engedett meg, sokkal kisebbet mind a későbbi celluláris hálózatoké. A telefonokban még nem volt tranzisztor vagy integrált áramkör, mint például a Motorola TLD-1100-ban sem:

Ha éppen volt szabad csatorna, a bázisállomás folyamatos készenléti 2kHz-es frekvenciáját lehetett hallani a telefonkagyló felvételekor. A telefon végig vizsgálta az ismert csatornákat és ráállt a készenléti jelet sugárzóra. A forgatógomb pont ugyanúgy impulzusokat generált mint a fix telefon, amik ezúttal rádió frekvencián (a vivőt 1.8kHz és 2kHz között modulálva) jutottak el a bázisállomásra. A telefon a vizsgálatkor az olyan csatornát is átugorta, ahol éppen tárcsázás történt. Az impulzusok alapján a bázisállomás eldöntötte, hogy fix vagy mobil számról volt-e szó, és ha mobil, akkor ugyanezen a csatornán jeleket küldött a hívott telefonnak. A másik telefon egy 2,15kHz-es "guard" jellel válaszolt és közben csengetni kezdett. Amint a hívott fél válaszolt a hívásra a bázisállomás 1,633kHz-es tónussal jelezte a hívónak, hogy a kapcsolat létrejött, lehet beszélni. A hívott fél egy másik szabad csatornán (vivőfrekvencián) küldte a mondandóját, hogy ne keletkezzen interferencia. Amikor valamelyik letette a telefont, a társa egy váltakozó jelet kapott 1,336kHz "disconnect" és 1,8kHz "seize" között. A félbeszakadt csatornát a bázisállomás rögtön készenlétbe helyezte.

      A hívás eredetét a bázisállomás úgy határozta meg, hogy a telefonkagyló felvételekor a szabad csatornán a telefon egy "connect" impulzuslöketet szórt szét, amit a bázisállomás befogott és "seize" lökettel válaszolt rá. Erre a telefon a saját telefonszámát küldte el impulzusok formájában, mintha saját magát tárcsázta volna. A bázisállomás miután ezt megkapta, hívástónust küldött, amire a felhasználó tárcsázhatott. A bázisállomás váltáshoz a telefonnak újra kellett vizsgálnia a csatornákat és a szabad csatornán újból azonosítania kellett magát azaz gyakorlatilag újra kellett hívni a korábbi számot. Ez viszont ritkán fordult elő, mert a bázisállomások 200W-os adásukkal 60-100km-es körzetet fedtek le városon belül.

 0. Generáció (0G): 1946-1980 (analóg, 27-450 MHz, kizárólag hangátvitel)

      A PTT technológiájú telefonokat elsősorban gépjárművekbe szerelték be nagyságuk és súlyuk miatt. A nagy teljesítményük miatt voltak nagyok, mert kezdetben csak kevés bázisállomást építettek, városonként egyet-kettőt. A csatornák száma is kevés volt, mert nem volt nagy kereslet az autóba építhető hordozható telefonra és sokan nem is engedhették meg maguknak. Az autóra a CB rádióhoz hasonló antennát szereltek (1/4 hullámhossz 150MHz-re kb. 50cm), az adóvevő berendezés pedig 10-12 ampert fogyasztott a gépjármű akkumulátorából. A csengőt az autó dudájára is rá lehetett kapcsolni arra az esetre ha a tulajdonos távolabb tartózkodott az autótól.

1969 környékén elkészítették az első tranzisztoros telefont, ami a 450MHz-es sávban működött. Ettől ugyan nem sokat változott a telefon mérete, továbbra is csak gépjárművekbe kellett szerelni. 1971-ben az Intel legyártotta az első mikroprocesszorát a 4004-est, ami 2300 tranzisztort tartalmazott és 60 ezer utasítást hajtott végre másodpercenként. Eredetileg csak számítógépnek készült, de hamar beépítették mindenféle elektronikus eszközbe, a telefonba is.  A cellákra osztást 1971-ben vezették be először. Olyan celluláris hálózatról van szó, melyben minden cella bázisállomását vezetékes hálózat kapcsolja össze egymással és a vezetékes telefonos hálózattal (pl. PSTN – Public Switch Telephone Network).

Egy cellában minden analóg telefon más frekvencián (csatornán) kapcsolódott a bázisállomásra. Mivel a városban több telefonhasználó volt mint máshol, nem jutott mindenkinek saját frekvencia mikor 5-10 felhasználó egyszerre beszélt. Emiatt a városban kisebb cellákat alkalmaztak és újrahasznosították a frekvenciát a nem-szomszédos cellákban. Ha például volt 7 szomszédos cella és mindenik csak 3 frekvenciasávot ismert (f1,f2,f3) akkor ezek a következőképp osztódtak szét, mikor mindenik cellában aktív volt egy telefon:

A városon kívüli nagyobb cellák több energiát fogyasztottak és ugyanez igaz volt a mobilkészülékre is, hiszen nagyobb erőfeszítést kellett tennie amikor egy 10km-re lévő bázisállomásra küldött jeleket. Ez ma is így van, ilyenkor nagyobb a teljesítménnyel sugároz a telefon és több energiát fogyaszt.

0G hálózatok:

• PTT (Push To Talk)
• MTS (Mobile Telephone System): IMTS (Improved MTS), AMTS (Adcanced MTS)
• OLT (Offentlig Landmobil Telefoni vagy Public Land Mobile Telephony)
• MT (Mobile Telephony): MTA, MTB, MTC, MTD – az MTC már az NTD-vel azonos 1G hálózat (vagy 0.5G)

 1. Generáció (1G): 1980-1991 (analóg, 450-900 MHz, kizárólag hangátvitel)

      A nulladik generációs hálózatok csak a fejlettebb országokban léteztek, és ott is csak az állami tulajdonban lévő cégek használták. Egyáltalán nem törekedtek szabványosításra vagy forgalomba hozatalra, csakis az iparágon belül érvényesült.

A fejlesztés a meglévő bázisállomások hatósugarának növelésében állt, ami nem mehetett a végtelenségig. Az első generációs hálózat kezdte alkalmazni igazából a celluláris koncepciót, de nem azért mert már nem tudták növelni a hatótávot, hanem mert a cella kapacitása nem tudott elég nagy lenni, hogy minden felhasználót kiszolgáljon. A celluláris hálózatok bevezetését elősegítette a tranzisztor, az integrált áramkörök és egyéb gyors kapcsolásra képes eszköz bevezetése. Ezekkel már ki lehet küszöbölni a cellaváltásból (vagy handoverből) adódó problémákat is, melyek a cellákra osztás előtt nem léteztek. A cellákra osztás magával vonta a csatornák számának növelését is, egyrészt azért mert a frekvenciákat újra lehet hasznosítani, másrészt mert a bázisállomások közti kapcsolatok is lefoglalnak egy-egy csatornát, hisz már nem vezetékkel vannak összekapcsolva. A telefon átállása a következő cellára azelőtt kell bekövetkezzen mielőtt kilépne a régi cella hatóköréből, ezért a cellák kissé átfedik egymást. Mivel az átállás frekvenciaváltást jelent, a régi csatornáról előbb le kell kapcsolódni és ráhangolódni a következőre. Ezt „Hard Handover”-nek nevezik, mert a cellaváltás a hívás félbeszakításával jár.

A cella bázisállomásán (BS – Base Station) körsugárzó antenna volt, ám a cellakapacitás optimizálása érdekében több módszert is kipróbáltak:

1. Mikro-cellákra osztás

A cella mikro-cellákra (μBS) oszlik, mindenikben egy kis teljesítményű bázisállomás.

Előny: frekvencia újrahasznosítás, kis teljesítmény-igény

Hátrány: költséges, sok a cellaközti (interceluláris) handover esélye

2. Szektorokra osztás

A bázisállomás körsugárzó antennája több irányított antennára cserélődik.

Előny: frekvencia újrahasznosítás, nem változik meg a cella alapszerkezete

Hátrány: sok a cellán belüli (intraceluláris) handover esélye.

3.Zónákra osztás

A kis teljesítményű bázisállomások folyamatosan mérik a telefon térerejét és küldik a nagy BS-nek.

A BS kiválasztja melyik mért a legnagyobb térerőt és annak a µBS-nek a csatornáját aktiválja.

Mikor a telefon átlép egy másik zónába, nincs csatornaváltás, hanem a telefon növeli a térerejét.

Előny: - Szinte nincs is cellán belüli handover

- A cellaközi átvitel nem érzékelhető (mivel tartja a csatornát)

Hátrány: a nagy BS-be bele kell építeni a szkennelés és kiválasztás funkciókat, ezért költséges.

Nem kötelező egyetlen módszerre alapozni az egész hálózatot, a környezet határozza meg, hogy melyik a jobb. Például a központban, vidámparkban, tengerparton és ahol több ember van, ott mikro-cellákra osztják a fő cellát. A cellák minden frekvenciához külön antenna tartozik, amik duplexálva vannak,  vagyis adó és vevő üzemmód között kapcsolgatnak. A cellák teljesítményének csökkentése mellett frekvenciák nagyobbak, hogy ne terjedjenek túlságosan messzire.

      Mivel a telefonok továbbra is analógok voltak, a telefonos párbeszédek titkosítás nélkül valósultak meg. Kiviteleztek egy üzenetküldő szolgáltatást is (DMS – Data and Messaging Service), ami ismét titkosítás nélkül működött. Bár nem került be a kereskedelembe, de az SMS elődjének számít. A DMS a hálózat jelzőcsatornáit használta adatátvitelre (SS7 protokollokkal) lehetővé téve a szöveges üzenetek továbbítását impulzusok formájában. Áramkörkapcsolás révén a lefoglalt csatorna, legyen az akár hangnak vagy adatnak lefoglalva, mindvégig használhatatlan volt mások számára.

      A moduláció az analóg FDMA moduláció volt (Frequency Division Multiple Access), amely minden telefonhíváshoz hozzárendelt egy adó frekvenciát (uplink csatornát) és egy vevő frekvenciát (downlink csatornát). Ezeken a csatornákon a hanginformáció frekvenciamodulációval volt a vivőre modulálva. Mivel minden szolgáltató ezt a modulációs sémát használta, szóba jött a roaming ötlete: a mobiltelefon használata idegen hálózatban. Ehhez és általában minden híváshoz szükséges ismerni a hívott szám helyzetét, azaz hogy melyik bázisállomás cellájában található. Ez a "paging" üzenet szétküldését jelenti, és mivel most már nem csak egy cella van, mindenik cellában ugyanezt a kereső üzenetet kell sugározni. Erre külön csatorna van lefoglalva, amit a mobiltelefon is folyton figyel, és ha kell válaszol.

Tipikus 1G telefon a Motorola 8500X 1987-ből: 

Ennek már memóriája volt, telefonszámokat és neveket tudott elmenteni. Volt egy kijelzője, amin 7 számjegyet lehetett megjeleníteni, valamint a hívás állapotát, időtartamát, jelerősséget, hangerőt, stb.

1G hálózatok:

• NMT (Nordisk Mobile Telephony) vagy MTC– Európában
• AMPS (Advance Mobile Phone Service)– Amerikában
• MCS (Mobile Cellular System) – Japánban
• TACS (Total Access Communication System) - Egyesült Királyság
• CDPD (Cellular Digital Packet Data) – ez már a 2G hálózat előfutára (vagy 1.5G)

A cellásítás következményeképp a cellákat csoportokba sorolták, amiket klasztereknek neveztek el. Minden klaszter ugyanazt a frekvencia felosztást tartalmazza, és minden klaszter celláinak bázisállomásait egy bázisállomás-vezérlő (BSC - Base Station Controller) irányítja.

A fenti ábrán a 2-es bázisállomás frekvenciái klaszterenként újrahasznosíthatóak. A BSC-k az MSC-be kapcsolódnak (Mobile Switching Center), ami aztán a fix telefonos hálózatra csatlakozik. Ez már nagyjából egyezik következő generáció architektúrájával, azzal a különbséggel, hogy még mindig analóg volt. Ez azt jelentette, hogy egy csatornát csak egy felhasználó használhatott, a kommunikációt nem lehetett titkosítani. Könnyen le lehetett hallgatni akár a felhasználó azonosítószámát is és saját hívásokat kezdeményezni vele, amiért az eredeti tulajdonos fizetett. Emellett az analóg jeleket könnyen lehet zavarni, érzékenyebbek az interferenciákra amitől jelentősen csökken a hívásminőség. Az azonosítószám (ESN – Electronic Serial Number) a telefonba volt kódolva, új telefon vásárlásakor a régi telefon memóriájából átmásolták az új készülékbe ezt a számot, amit klónozásnak hívtak. Az azonosítószám védelmére később bevezették a SIS-t (Subsriber Identity Security), ami ismét egy egyedi szám volt, de ezt minden szolgáltató ismerte és két egyforma SIS-t nem engedtek a hálózatba. Ezáltal minden telefon egyedivé vált. Amikor a telefon egy bázisállomás lefedettségi zónájába ért elküldte ezt a kódot, amiből a bázisállomás egy véletlen számot generált és visszaküldte a telefonnak, hogy ezen túl azt használja ideiglenes azonosítónak. A generált számok rövidek voltak és az algoritmus is könnyen megfejthető volt, ezért ez is könnyen feltörhető volt.

 2. Generáció (2G): 1991-2001 (digitális, 900-1800 MHz, 115kbps, hang és SMS)

      Az analóg jeleket nem egyszerűen rámodulálják a vivőre, hanem előbb kódolják, digitalizálják. A kódolt információ csomagokba csoportosítható és szerre elküldhető. Ennek bevezetése az áramkörkapcsolásos technológiába azt jelentette, hogy nem kell fenntartani a csatornát a telefonálás befejezéséig, hanem csak addig amíg egy csomag célba ér. Amíg az újabb csomag elkészül addig más is használhatja a csatornát, és ha nem szabadul fel elég gyorsan a csatorna, akkor az új csomagot más csatornán is el lehet küldeni. Az adatcsomagokat tömöríteni lehet, hogy rövidebbek legyenek és hamarabb felszabadítsák a csatornát. Ezzel kihasználhatóbbá válik a hálózat sávszélessége, mert keskenyebb sáv is elég egy adattovábbításhoz. Növelhető tehát a csatornák száma az adott sávon, így nő a cellakapacitás is. Az analóg technológiát nem iktatták teljesen ki, a két generáció végéig közreműködött, még a 3G is kompatibilis maradt vele.
      A cellákat kisebb hatósugarúra tervezték, így a mobiltelefonok kisebb akkumulátort kaphattak. Ezzel és az integrált áramkörök fejlődésével csökkent a készülékek ára és egyre többen megengedhették maguknak a mobiltelefont. A cellaméreteket tovább csoportosították, hogy minél hatékonyabban alakítsák ki a lefedettségi zónákat a felhasználási igény szerint: Piko-cellák (4-200m), Mikro-cellák (200-2000m) és Makro-cellák (1-30km). A bázisállomások egymás közti kapcsolata rádiófrekvencián folyik, sokszor mikrohullámú irányított antennák néznek szembe egymással. A körsugárzó antennák 100W-os teljesítménnyel, az irányított antennák 500W-os teljesítménnyel sugározhatnak az FCC szabványai alapján. Az irányított energia azért lehet nagyobb, mert minden irány egy-egy cellát képvisel, azaz a bázisállomás nem a cella közepén, hanem cellák találkozási pontján található:

Az adatok csatornahasználatát a TDMA (Time Division Multiple Access) módszer valósítja meg a GSM-nél. Ez azt jelenti, hogy minden felhasználónak van egy lüktető időperiódusa amikor küldhet, azaz amikor használhatja a csatornát. Ennek észlelése (uplink esetén) a bázisállomáson elég komplikált, mert a telefon mozgása időeltolódással jár, azaz a várt csomag időpontja késhet vagy siethet. Azt, hogy a csomagok éppen melyik csatornát használják azt a FDMA dönti el, akár az analóg áramkörkapcsolásnál. Mindenik csatorna 8 időperiódusra oszlik: 7 periódus hívásnak és 1 periódus jelzésnek.

      A telefon azonosítását egy külső processzorra helyezték, amit egy okos-kártyába helyeztek: SIM (Subscriber Identity Module). Ezzel a telefoncsere egyszerűbbé vált. A telefonkártya mérete idővel csökkent, a telefon méretének és a kártyának szánt hely csökkenésével. A hitelesítés ellenben csak keveset bonyolódott: a SIM az IMSI számot (International Mobile Subscriber Identification) és egy Ki kulcsot (Key identification) tartalmaz. Az IMSI felhasználónévként és a Ki jelszóként tekinthető. Az IMSI tartalmazza az ország hívókódját és a szolgáltató hálózat kódját is, hogy az idegen országban vagy hálózatban bejelentkező felhasználó kiléte könyebben beazonosítható legyen. Az IMSI és a Ki tárolva van a szolgáltató MSC kapcsolóközpontjának HLR (Home Location Register) adatbázisában is. A hitelesítést az AUC (Authentication Center) végzi, ami szintén az MSC-ben van.

• Regisztráláskor a telefon elküldi a SIM-ből az IMSI-jét a VLR-nek (Visitor Location Register), ami továbbítja azt a HLR-nek. A HLR megtalálja ezt és a hozzá tartozó Ki kulcsot (jelszót).
• A HLR generál egy RAND véletlen számot, majd az A3 algoritmus segítségével összekombinálja ezt a Ki-vel. A kombináció eredménye az SRES. A RAND-ot és a Ki-t az A8 algoritmussal is kombinálja, aminek eredménye a Kc. Ezt a három kódot (RAND, SRES, Kc) elküldi a VLR-nek.
• A VLR ezek közül csak a RAND-ot küldi el. A telefon elvégzi ugyanazt mint a HLR, azaz kiszámolja az SRES-t és a Kc-t. Az SRES az azonosításra, a Kc a telefonbeszélgetés kódolására használt kulcs. Visszaküldi az SRES-t a VLR-nek, ami a saját SRES-ével összehasonlítja és eldönti, hogy hiteles-e a felhasználó vagy sem.
• Ha a hitelesítés sikeres, akkor a telefonálás kezdetét veszi és az üzenetek a Kc kulccsal lesznek kódolva. A kódolást az A5 algoritmus végzi.

Az eljárás lényege, hogy a telefon azonosítása során egyszer se küldje el a Ki-t (jelszót). A telefonálás közben átvitt információ titkosítása érdekében minden SIM tartalmazza az A5 algoritmust. Ennek létezik erősebb (A5/1) és gyengébb (A5/2) változata, és hogy a telefon melyiket ismeri, azt az IMSI-ben közli a bázisállomással. A biztonság további fokozása érdekében az SRES egyezés után a VLR egy ideiglenes azonosítóval látja el a mobiltelefont (TMSI – Temporary Mobile Subscriber Identity), hogy többé az IMSI-t se kelljen elküldenie. Innentől kezdve az azonosítás a TMSI alapján történik.

Az azonosítási eljárás gyengeségei:

1. Egyedül a telefon igazolja magát, a bázisállomás nem.
2. Az A3, A8 és A5 algoritmusok működését mindig titokban kell tartania a szolgáltatónak.
3. A kódolás csak a rádiókommunikációra érvényes. A bázisállomáson belül szöveges formátumban közlekedik az információ.
4. A mobiltelefonnak folyton küldözgetnie kell a pozícióinformációkat, tehát követhető a felhasználó mozgása.
5. A titkosítás kikapcsolható a legális lehallgatás érdekében.

Az IMSI Catcher a gyengeségeket kihasználva képes lehallgatni a GSM kommunikációt. Egy bázisállomást emulál, amire rácsatlakozik a közelben lévő mobiltelefon, ha úgy látja hogy erősebb annak a jele. Egy speciális azonosítás-kéréssel elérhető, hogy a telefon az IMSI-jét küldje el a TMSI helyett. A Catcher a valós bázisállomás fele úgy viselkedik mint egy telefon, tehát összességében közvetíti a hívást, sem az eredeti bázisállomás sem a felhasználó nem veszi észre a jelenlétét. Az azonosítás után egyszerűen „Encryption off” üzenetet küld a mobiltelefonnak (ráveszi, hogy az A5/0 algoritmust használja), miközben a valós bázisállomás felé továbbra is kódolva küldi az üzeneteket. Ha a telefont éppen legálisan is lehallgatják, akkor a Catcher SIM nélkül is működik, egyszerűen továbbküldi az azonosítási üzeneteket is, majd hallgatja a titkosítatlan beszélgetést.

      Egy adott nagyságú területet befedő bázisállomások csoportja LA-t (Location Area) alkot (ez gyakorlatilag az 1G-s klaszter). Minden LA-ban más frekvenciák uralkodnak, és amikor egy felhasználó áthalad egyikből a másikba, akkor a telefont informálni kell az új frekvenciákról. A bázisállomások mindig közlik a telefonnal az LAI-t (LA Identifier), így a telefon észre tudja venni ha új zónába érkezett. Ilyenkor kér egy frissítést amivel együtt elküldi a korábbi LAI-t amiben volt és a TMSI-t. A telefon a SIM-en is eltárolja az LAI-t abban az esetben ha a telefon kikapcsolt állapotban vált LA területet. A korábbi LAI számot azért fontos ismerni, hogy ne kelljen a hitelesítést megismételni, ha a régi LA adatbázisa még tartalmazza a TMSI-t.

      A korábbi analóg üzenetküldő szolgáltatást az SMS (Short Message Service) váltotta le, mely 8 illetve 16 biten kódolt karaktereket is küldhet. 8 biten 160 darab, 16 biten 70 darab karaktert lehet küldeni. A hoszabb üzenetek egymás után kerülnek elküldésre; az már a telefon dolga, hogy külön jeleníti-e meg vagy összefűzi őket. Az SMS üzeneteket az SMSC (SMS Center) kezeli, az adatcsatornán közlekednek, így akár hívás közben is lehet kapni vagy küldeni. Az SMSC lekérdezi a HLR-t, hogy az előfizető, akinek az SMS szól elérhető-e, és amikor elérhetővé válik és az SMS érvényessége még nem járt le (ami alap esetben 14 nap), akkor elküldi az SMS-t. Az SMS elküldése után visszajelzést küld a mobilnak, a folyamat sikerességéről. Ha valami oknál fogva ez nem történik meg (pl. túlterhelt a hálózat), akkor a felhasználó újraküldheti az üzenetet. Ebben az esetben a célszemély annyiszor kapja majd meg ahányszor a próbálkozás történt. Ennek elkerülése érdekében prioritásokat vezettek be, így minden elküldött üzenet után érkezik valamilyen értesítés, még túlterheltség esetén is. Ha a fogadó fél memóriája megtelt, akkor a telefonja erről értesíti az SMSC-t és akkor is amikor elegendő hely felszabadult. Az SMS üzenetek nem tárolódnak az SMSC-ben, csak addig amíg a kézbesítés meg nem történik. Értelemszerűen beállítható, hogy bizonyos üzenetek tartalmát tovább megőrizze lehallgatás céljából.

A telefonok fejlődése újabb szolgáltatásokat tett lehetővé, mint például az MMS (Multimedia Messaging Service), amellyel képet, zenét, videót és egyéb multimédiás tartalmakat lehetett továbbítani. Az SMSC-hez hasonlóan létezik hangposta rendszer is (VMS – Voice Mail Service), ami nem SMS üzeneteket, hanem hangüzeneteket tárol és játszik le. Ha az előfizető aktiválja ezt, akkor a hívások a hangpostaládájába kerülnek, amit később meghallgathat.

A GSM-ben 4 esetben fordulhat elő handover (csatornaváltás):

1. Intra BTS: a telefon ugyanabban a cellában marad, csupán a frekvenciát vagy az időrést cseréli le.
2. Intra BSC (vagy inter BTS): a telefon cellát vált, ami ugyanannak a BSC-nek a hatókörében van
3. Intra MSC (vagy inter BSC): amikor az új cella más BSC-hez tartozik
4. Inter MSC: amikor az új cella nem csak más BSC-hez, de más MSC-hez is tartozik

Mindenik handovernél frekvenciaváltás történik, ami „hard” típusú handovert jelent, azaz a hívás félbeszakad. A handover szükségessége az aktuális cella és a szomszédos cellák csatornáinak jelerősség alapján dől el. Ha a jel gyengül, akkor az adathibák száma is megnövekedik. A méréseket az RPM (Radio Resource Managment) végzi a telefonban, a BTS-ben és a BSC-ben. A félbeszakadás időtartama néhány ms, ami alatt megszűnik az adatátvitel, ám ezt a felhasználó nem érzékeli.

2G hálózatok:

• GSM (Global System for Mobile communication) – Először európai, majd globális szintté emelkedett.
• CDMA (Code Division Multiple Access) – Amerikában elterjedt
• IS-136 TDMA (IS-136 szabványú Time Division Multiple Access) – Észak-Amerikában
• PDC (Personal Digital Cellular) - Japánban

A fenti ábrán a GSM leegyszerűsített vázlata látható, melynek alapvető komponensei:

- MS (Mobile Subscriber) – mobil előfizető

• Rendelkezik egy IMEI (International Mobile Equipment Identity) számmal, amely egyedi és nem változtatható. Ennek nincs köze a felhasználóhoz, csupán a telefont azonosítja, amit lopottnak, vagy megfigyelés alatt állónak lehet nyilvánítani. Ennek lekérdezése külön, a hitelesítés alatt történik, és a vizsgálata az EIR regiszterben tárolt IMEI számokkal való összehasonlításból áll.
• Funkciói: rádiókommunikáció, handover, kódolás/dekódolás, hibaészlelés és javítás, jelzés, SIM kezelés.

- BTS (Base Transceiver Station)  – bázisállomás

• kezeli a cellájához tartozó csatornákat, irányítja a szolgáltatásokat, kapcsolatban áll a fix hálózattal.
• csatornakódolás/dekódolás, titkosítás, modulálás, erősítés, szinkronizálás.
• a többutas hullámterjedés miatti jelgyengülés miatt egy helyett két vevőantennát használ negyed- vagy félhullámhossz távolságra egymástól.

- BSC (Base Station Controller) – bázisállomás vezérlő

• Rádiós kapcsolattal vezérel egy vagy több bázisállomást
• A cellák csatornáinak lefoglalását / felszabadítását irányítja
• A cellák közti handovert kezelője

- MSC (Mobile Switching Center) – kapcsolóközpont, minden mobilhívás lehetővé tevője

• a BSC-ket vezérli (forgalomirányítás, rádiós erőforrás lefoglalás)
• az interfész a mobil és a fix telefonos hálózat között (GMSC – Gateway MSC)
• protokoll adaptálás más hálózatok protokolljaival (IWF – Inter-Working Function)
• számlázás

- HLR (Home Location Register) – adatbázis, ami a szolgáltatásokat listázza.

• Tartalmazza továbbá a felhasználók legutóbbi pozícióját is.
• Eldönti, hogy az előfizető használhatja vagy sem a kért szolgáltatást.
• Az itt tárolt telefonszám (MSISDN – Mobile Subscriber Integrated Services Digital Number) és az IMSI szerint derül ki, hogy merre kapcsolódjon a hívás.

- VLR (Visitor Location Register) – adatbázis, ami a látogatókról tárol információt.

• Mikor a mobiltelefon átlép egy cellát, a VLR frissíti a pozíciót (tehát cella szintű pontosság).
• az itt tárolt információ csak ideiglenes, mindig változik, viszont enélkül az MSC nem tudná, hogy merre kapcsolja a hívásokat. Az MSC mindig a VLR-t kérdi le amikor egy hívás kezdetét veszi.

- EIR (Equipment Identity Register) – adatbázis, mi a telefonok IMEI számát tartalmazza.

•  Fehér lista (felhatalmazottak), Szürke lista (megfigyelés alatt állók), Fekete lista (kitiltottak)

- AuC (Authentication Center) – hitelesítő adatbázis, mely közvetlenül a HLR-hez kapcsolódik

• regisztráláskor, híváskor, szolgáltatások aktiválásakor, deaktiválásakor vagy törlésekor lép működésbe.

A fentiek közül az MSC a legkomplikáltabb, mert neki van a legnehezebb dolga. Egy bejövő hívás pillanatában nem lehet tudni, hogy a hívást milyen irányba kell kapcsolni, a hívott szám bármerre lehet. Bár a VLR segít beazonosítani a pozíciót, de ez az információ csupán a keresett készülék legutolsó cellaszintű pozíciójára vonatkozik. Előfordulhat, hogy egy telefon kikapcsol egy cellában és egy másik cellában kapcsol vissza. Normális kikapcsolás esetén a telefon közli a hálózattal, hogy mostantól nem elérhető, és így a MSC is tudni fog erről és meg se próbálja a hívást felépíteni. Ha viszont a telefon nem szabványosan kapcsolt ki (pl. hirtelen kikaptuk az akkumulátort a telefonból vagy ha elveszik a térerő, a telefont leárnyékoltuk valamivel), akkor az MSC nem lesz értesítve és a VLR/HLR adatbázisában az lesz, hogy még mindig ott van abban a cellában, ahová legutóbb belépett. Ilyenkor a hívás nem cseng ki, majd egy idő után elindul a hangposta, vagy pedig az MSC bemondja, hogy a hívott szám nem elérhető. Hogy az MSC ne próbálja folyton megtalálni az előfizetőt, 30 percenként helyzetfrissítő kérést küld az utolsó ismert cellába, és ha a telefon nem válaszol akkor a lecsatlakozott állapotot rendeli hozzá az IMSI-hez, hogy többször ne próbálja elérni.

      Kezdetben az adatátvitel is áramkörkapcsolással (Circuit Switched) működött, melynél a számlázás időalapon történt. Ez nem vette figyelembe, hogy hány csatorna van adatátvitelre használva a lefoglalt csatornák közül, ezért igen költséges volt a telefonon internetezni. A megoldást a GPRS (General Packet Radio Service) jelentette, amely már csomagkapcsoláson (Packet Scwitched) alapszik, így a számlázás az átvitt adatmennyiség alapján történhet. A GPRS új adatcsatornákat és kapcsolópontokat nevez meg a GSM rendszerben és 172kbps adatátviteli sebességet szolgáltat. Ennek továbbfejlesztett változata az EDGE (Enanched Data Rates for GSM Evolution) vagy EGPRS, amely fázismodulációt (8-PSK) és más kódolási technikát (3 bit / szimbólum) használva megnövelte az adatsebességet 384 kbit/s-re. Ez a fejlesztés a generációt 2.5G-re emelte.

Az SGSN (Serving GPRS Support Node) az adatcsomagok kapcsolgatásáért, a logikai kapcsolatok fenntartásáért, a hitelesítésért és a számlázási funkciókért felel. A gerinchálózat a mobilszolgáltató belső IP hálózata, amely saját címzéssel és hozzáférési startégiával rendelkezik, hogy korlátozni tudja a szolgáltatást az illetéktelen felhasználóktól, melyek érkezhetnek a mobil vagy az internethálózat felől is. A GGSN (Gateway GPRS Support Node) feladata, hogy adaptálja a gerinchálózat protokolljait más csomagkapcsolású protokollokra, például az Internet Protokollra (IP) vagy az X.25-re (WAN hálózatnál). Az SGSN és a GGSN közti hálózat SS7 jelzésekkel működik, minek nincs semmiféle titkosítása. Hasonlóképpen a kommunikációs protokoll (GTP – GPRS Tunneling Protocol) sem használ titkosítást, így gyakorlatilag szöveges üzenetekként közlekedik az információ a gerinchálózaton. Kezdetben ez nem okozott problémát mert csak pár létesítmény vette igénybe a GPRS szolgáltatást, később azonban biztonsági intézkedéseket kellett alkalmazni. Az SGSN a hitelesítéshez a HLR, VLR, EIR és AuC adatbázisokat használja, ami a GSM mozgatórugói is egyben. Az ezekhez való hozzáférést kellett megtiltani az internetről.

      Vannak bizonyos rövid telefonszámok, melyek különböző szolgáltatásokat nyújtanak, például a szolgáltató ügyfélszolgálatát kapcsolják, adatokat lehet velük lekérni a számlaegyenlegről, stb. Minden rövid szám egy szolgáltatásnak a kódja. Hasonlóképp, a segélyhívószám is egy külön szolgáltatás. Ebben az esetben a hívással nem jár azonosítás, a kezdeményezés azonnal az MSC-be jut, ami rögtön a segélyhívó szolgáltatáshoz kapcsolja azt. Ez úgy történhet meg, hogy minden üzenet a BTS, BSC és MSC között sürgősségi üzenet. Mikor a BTS ilyent kap, felszabadít egy csatornát ha mindenik foglalt, a MSC pedig nem bajlódik a hitelesítéssel és rögtön tudja merre irányítsa a hívást. A hívás akkor is végbe megy, ha a telefon nem küldi el az IMEI számot vagy nem rendelkezik SIM kártyával. Ez utóbbi ritkán fordul elő, és a SIM kártya az ami tartalmazhatja a sürgősségi számokat (amik országonként eltérnek).

      A GSM a GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) digitális modulációt használja, ami olyan frekvenciamoduláció, mely sávszélessége és modulációs indexe sokkal kisebb a korábbi típusokéhoz képest. A moduláció során arra törekednek, hogy a hullámforma fázisa folytonos maradjon. Ennek hátránya, hogy egyes adatbitek hosszabb ideig tarthatnak, aminek eredménye a szimbólumközi interferencia.

      A GSM (TDMA) és a CDMA közti fő különbség, hogy míg a TDMA különböző időpillanatokban ad hozzáférést egy csatornához, addig a CDMA lehetővé teszi több felhasználónak ugyanazon csatorna használatát ugyanazon időben. Ezt a szórt spektrumú technológia (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum) alkalmazásával érheti el, ami lehetővé teszi a vevőnek, hogy a nem várt jeleket kiszűrje. Az információbiteket beszorozzák egy véletlen bit sorozattal (PN – Pseudo Noise) vagy más néven szóró-kóddal, így a kapott információ sávszélessége sokkal nagyobb lesz mint az eredeti információé. Ehhez szükséges, hogy a PN bitjeinek (amit chip-nek neveznek) rátája nagyobb legyen az információ bitrátájánál. A módosított információt ezután rámodulálják a vivőre, és mivel nagy rátája van, ezért szélesebb spektrumot fog elfoglalni a rádiós frekvenciasávban. A vételi oldalon a demodulálást követően ugyanezzel a PN-el lehet visszafejteni az információt (beszorozva vele). Ha egy másik adó ugyanezen a csatornán de más PN szekvenciával ad, akkor az adott jel feldolgozási folyamata gond nélkül lehetséges, legfeljebb kisebb nyereséggel jár, mert a többi adó jelei zajként hatnak az információra. A CDMA a PN kódokra mint csatorna azonosítókra tekint, és hogy a zavarások mértéke csökkenjen, vektoriálisan ortogonális szóró-kódokat választ. Továbbá az is segít, ha minél szélesebb a sáv, amiben az információ szét van szórva, azaz például minél több egyesből áll az eredeti információ egyes bitje. Ebben az esetben, ha betéved egy nulla (1=11110111111111), akkor azt sokkal könyebb kiszúrni és zajként értelmezni. Mivel a szomszédos cellák is használhatják ugyanazt a frekvenciát, a cellaváltásnál nem kell frekvenciát cserélni. A cellákat a „PN offset” különbözteti meg. Cellaváltásnál a telefon érzékeli az egyre erősödő jelerősséggel érkező „PN offset”-et és átáll arra a cellára. Mivel a frekvencia nem változik, a kapcsolat egyszer sem szakad meg a handovernél.

A CDMA jellegzetes problémája a jelerősségre vonatkozik. Emiatt eleinte nem is akarták alkalmazni ezt a technológiát. Ha egyik adó távol, a másik közel van a cellához, akkor azok jelerősségük különbözik a bázisállomás szemszögéből. Ha a bázisállomás a távolabbi telefon üzenetét próbálja venni, akkor a közelebbi telefon erős jele nagyon fogja azt zavarni (erős zajként lesz értelmezve, mert más a szóró-kódja). Hogy ez ne fordulhasson elő, minden telefontól azonos jelerősséggel kell érkezzenek az adatok bázisállomásra. Ezt a telefonba épített teljesítményszabályzóval lehet megoldani, ami méri a bázisállomás jelerősségét, és az minél inkább gyengül (azaz minél távolabb kerül a telefon tőle), annál nagyobb teljesítménnyel ad. Tulajdonképpen a jelerősség adatait elküldi a bázisállomásra, és ott történik a számítás (spórolva ezzel a telefon energiájával) és az eredmények alapján a bázisállomás eldönti, hogy küldjön-e a jelerősség növelésére utaló parancsot a telefonnak vagy sem.

 3. Generáció (3G): 2001-2008 (digitális, 1600-2600 MHz, 14Mbps, hang, SMS, internet, videó)

      Sokkal több felhasználó csatlakozhat a hálózathoz (nagyobb kapacitás), gyorsabb az adatsebesség (internet) és sok új hálózati szolgáltatás érhető el (pl. videóhívás, online TV). A videó, adat és hang átvitele kombinálva történik. A 3G hálózatnak több lépcsője volt mint a 2G-nek. Globális szinten az UMTS a legelterjedtebb, ami a GSM utódja. A GPRS technológiából fejlődött ki, mely csomagkapcsolás alapú.

Release 99 (2000)

      Az UMTS Release 99 kiadásában vezették be az UTRAN hálózati struktúrát (UMTS Terrestrial Radio Access Network).  Ebben az architektúrában a bázisállomás neve NodeB és a bázisállomásvezérlő a RNC (Radio Network Controller). Az UMTS a GSM-el ellentétben a szélessávú CDMA-val (WCDMA – Wideband CDMA), azaz szórt spektrumú technológiával működik. Az UTRAN és a régi GSM+GPRS architektúrája a következő:

A GSM hálózat BTS-BSC modulja és az UTRAN hálózat NodeB-RNC modulja is ugyanúgy a maghálózathoz (Core Network) kapcsolódik. A maghálózat komponenseinek szoftvereit (MSC, VLR, HLR, EIR, AuC stb.) mind frissíteni kellett, hogy képesek legyenek az UMTS felhasználók adatait kezelni. Az új komponensek:

- UE (User Equipment) – mobiltelefon, laptop, vagy bármilyen rádiókommunikációs készülék ami kompatibilis

• USIM (Universal SIM) – ami lehetővé teszi a 3G alkalmazások futását, mint például a videó-konferencia, mobile-banking. Ezen kívül jóval nagyobb memóriával rendelkezik (256k). A titkosítási algoritmusok mások: KASUMI (F8, F9) és MILENAGE (F1, F1*, F2, F3, F4, F5, F5*).
• 3 üzemmód: áramkör és csomagkapcsolás egyszerre, csak csomagkapcsolás, csak áramkörkapcsolás

- NodeB – bázisállomás

• A RNC-hez a luB interfészen csatlakozik (a BTS az Abis-on csatlakozott a BSC-hez)
• A bázisállomások egymással is össze vennak kötve a lur interfészen, ami az inter-RNC handovernek szükség
• WCDMA adó-vevők vannak az FTDMA helyett
• Általában magasabb frekvencián működik (2100MHz) mint a GSM (900MHz)
• A cellák méretei változóak. Ha egy cellában túlságosan leterhelnek egy szolgáltatást, akkor a bázisállomás lecsökkenti a cellaméretet, míg a szomszédos cellák megnövekednek. Így az összehúzódó cellából kieső felhasználók átállnak táguló cellára és ezzel a terhelés valamennyire csökken a kis cellában.

- RNC (Radio Network Controller) – bázisállomás vezérlő

• Rádiós kapcsolattal vezérel egy vagy több bázisállomást (pl. teljesítményszabályzás)
• A cellák csatornáinak lefoglalását / felszabadítását irányítja
• A csomagkapcsolás és az áramkörkapcsolás nyújtotta szolgáltatások más interfészeken haladnak (lu-CS, lu-PS).
• A cellák közti handovert kezelője

Az UMTS-ben is ugyanabban a 4 esetben fordulhat elő handover mint a GSM esetén, csakhogy a handover típusa 3 féle lehet:

1. Hard handover: csatornaváltás előtt a hívás félbeszakad néhány ms-ra, akár a GSM esetén.
2. Soft handover: az átfedési ponton, ahol mindkét bázisállomás jele vehető, a telefon kombinálja a két jelt.
3. Softer handover: a szektorizált bázisállomások szektorai (vagy cellái) közti handover.

Az UMTS egyik fontos előnye a GSM-el szemben, hogy alkalmazhatja a Soft handovert, mert a CDMA technológiával a telefon a szomszédos cellákkal is fenntarthatja a kapcsolatot (hisz ugyanazon a frekvenciasávon sugároz mindenik). A telefon a jeleket a Rake vevővel képes kombinálni. Ez szétválasztja a más útvonalon érkező pl. tereptárgyakról visszaverődött jeleket és késleltetve adja hozzá az eredeti információhoz. A Rake vevő a bázisállomásban is jelen van, hisz a telefonról sem közvetlenül jutnak el a jelek a toronyig, hanem visszevarődések során.

Az Inter RAT handover (Radio Access Technology) a GSM és az UMTS cellái közti handoverre vonatkozik áramkörkapcsolás esetén, csomagkapcsolásnál pedig a GPRS-UMTS átváltásra utal. Ez utóbbi nem handover, hanem cella-átkapcsolás, ami azt jelenti, hogy előzőleg nincsenek lefoglalva erőforrások az új cellában.

A Release99 frekvenciasávjában az uplink és downlink csatornák frekvenciájukban különböznek egymástól. Az FDD (Frequency Division Duplex) technológia kiválaszt két 5MHz-es sávot távol egymástól és azokat kapcsolgatja. Minél nagyobb az alkalmazott frekvencia, annál inkább távolabb kell legyenek egymástól, mert a magasabb frekvenciák könyebben interferálnak. Mivel csomagkapcsolásról van szó, az adatkapcsolati rétegben a csomagok keretekre vannak szabdalva, melyeket tömöríteni lehet. Ezzel némi időrés nyerhető, melyeken egyéb információt lehet továbbítani, mint például jelerősségre vagy csatornaminőségre vonatkozókat. Ezzel a módszerrel 144-512kbps adatsebesség érhető el.

Release 4 (2001)

     A maghálózat áramkörkapcsolásos részében az MSC-t lecserélték MSC szerverre és MGW-re (Media GateWay). Az MSC működésének nagy része tulajdonképpen az MSC szerverben van, az MGW csupán a kapcsolásokat végzi és az MSC szerver által van vezérelve. A GMSC-t ugyanígy GMSC szerverre és MGW-re cserélték. A fizikai interfészek kapcsolgatásának és a logikai hívásirányításnak az elválasztását több előny is indokolja. Például sokkal skálázhatóbbak a funkciók és valamivel olcsóbb is (hiszen a szerveren csak programok futnak). Ezen kívül a szerver IP protokollon kommunikál a hozzá csatolt komponensekkel és emiatt átrakható az SGSN és GGSN gerinchálózatába. Az MGW lehetővé teszi például, hogy egy VoIP hívást az internetről átalakítson a PSTN jelzésprotokolljaira.

Bevezették a TDD (Time Division Duplex) technológiát. A TDMA-tól az időrések hosszában tér el. Mivel csomagkapcsolásról van szó, előfordul, hogy a downlink adatforgalom nagyobb az uplink adatforgalomnál, így egyik nagyobb, a másik kisebb időrést kap a keretei elküldésére. A TDMA-nál ez lehetetlen volt mert az időrések fix hosszúságúak voltak minden csatornánál. Az FDD-nél is lehetetlen volt, hogy a csatornákat az adatfolyamok nagysága szerint újra és újra lefoglalják más szélességgel. Az FDD-vel szemben viszont a TDD ugyanazt a csatornát használja uplinknek és downlinknek, ami miatt ugyanazok a hullámterjedési feltételek, azaz ugyanazzal a módszerrel kell ellensúlyozni zavaró tényezőket és ezzel egyszerűsödik a kivitelezés. Az UMTS a TDD-t csak akkor használja, ha az FDD éppen nem elérhető. A TDD-vel a maximális adatsebesség 2Mbps, ha a felhasználó lassan mozog (max 10km/h). Ez azért kritikus, mert az időrések beérkezésének ideje függ a bázisállomás távolságától és a felhasználó mozgási sebességétől is. Bár van egy biztonsági (guard) periódus az adás és vétel között, ez csak egy bizonyos sebesség alatt garantálja az adatok egymásra tevődésének megelőzését.

Release 5 (2002) – 3.5G

      Ez már kizárólag IP alapú fejlesztés, az áramkörkapcsolással nem foglalkoznak többet. A gateway elvégzi szükséges átalakításokat hogy az új szolgáltatások használhatóak legyenek a hagyományos rendszerekben. Az átjárókat az MGCF (Media Gateway Control Function) vezérli. Ő vizsgálja meg, hogy az IP alapú információ hang-e vagy üzenet és értesíti erről az átjárót, hogy az a megfelelő protokollokat alkalmazhassa. Emellett szükség volt egy roaming és egy transzport jelzési átjáróra is (R-SGW – Roaming Signalling GateWay, T-SGW – Transport SGW), hogy a rendszer kompatibilis legyen az SS7 jelzési protokollokkal is. A GSM HLR szervere gyengének bizonyult és HSS-re (Home Subscriber Server) cserélték. Ez továbbra is tartalmazza a GSM adatait. A változásra azért volt szükség, mert az előfizetőnek több profilja lehet. Lehet GSM/GPRS, UMTS, WLAN felhasználó, melyekhez más-más információ fűződik. A multimédiás (SIP alapú) alkalmazások hívását a CSCF (Call State Control Function) vezérli, az alkalmazások erőforrását pedig az MRF (Media Resource Function) képviseli, amely támogatja például a többtagú konferenciát. Ha egy bizonyos típusú adatfolyam (pl. fájlletöltés) túl nagy az egyik felhasználónál, akkor az MRF ossza el a korlátokat a felhasználók között, hogy mindenkinek biztosítva legyen valamennyi adatfolyam. Ezek együttesét IP multimédiás alrendszernek (IMS – IP Multimedia Subsystem) nevezik.

Az IMS szerepe, hogy betöltse a fennmaradt rést a mobilkommunikáció és az Internet között és ezzel lehetővé teszi az end-to-end IP szolgáltatásokat. A SIP (Session Initiation Protocol) és az SDP (Session Description Protocol) protokollokat használja a komponensei között.

      A GSM részt GERAN-nak nevezik (GSM EDGE Radio Access Network), mert a GPRS fejlesztett változata (EDGE) aktuális benne. Az adatsebesség megnövekedése a HSPA (High Speed Packet Access) technológiának köszönhető. Ez egy olyan downlink (HSDPA) csatornát vezetett be, mely minden felhasználó között meg van osztva és 550-1100kbps adatsebességet biztosít. A HSDPA a 16-QAM modulációt használja, ami nagyobb adatrátát tesz lehetővé, viszont érzékenyebb a zajra. A rendszer akkor áll át erre a modulációra (csatornára), amikor környezeti paraméterek ezt megengedik. Ideális esetben 14.4Mbps sebességre képes.

      A hitelesítés az UMTS-ben sokkal bonyolultabb mint a GSM hálózatban. Az USIM az IMSI azonosítót (felhasználónevet) és a K kulcsot (jelszót) tartalmazza, melyek megtalálhatóak a HSS adatbázisban is. A hitelesítést az AuC végzi, mely a HSS-ben van. Az A3 és A8 algoritmusok helyett a hitelesítő algoritmusok az f1 és f2 függvények, a kulcsgeneráló algoritmusok pedig az f3, f4 és f5.

• Amikor a telefon az IMSI-jével bejelentkezik a hálózatra, a hitelesítő (HSS) a következőket számolja ki:
• Egy 128 bites SQN (Sequence Number) és egy RAND (véletlenszerű) számot.
• AMF (Authentication Management Field)
• Message Authentication Code: MAC = f1(K, (SQN||RAND||AMF))
• Expected Authentication Result: XRES = f2(K,RAND)
• Cipher Key CK = f3(K,RAND)
• Integrity Key IK = f4(K,RAND)
• Anonymity Key AK = f5(K,RAND)
• AUthentication TokeN AUTN = SQN ⊕ AK||AMF||MAC
• Authenticatio Vector: AV = RAND||XRES||CK||IK||AUTN
• A hitelesítő ezután az AV-t elküldi a hálózatnak (MME), ami csak a RAND-ot és az AUTN-t küldi tovább a telefonnak.
• A telefon USIM-je a következő számításokat végzi:
• AK = f5(K,RAND)
• SQN = (SQN ⊕ AK) ⊕ AK)
• MAC’ = f1(K, (SQN||RAND||AMF))
• Leellenőrzi, hogy MAC’ = MAC és hogy az SQN érvényes-e.
• RES = f2(K,RAND)
• CK = f3(K,RAND)
• IK = f4(K,RAND)
• A telefon ezután a RES-t elküldi a hálózatnak, ami összehasonlítja az XRES-el. Ha talál, akkor a telefon hitelesítve van.

Az UMTS és a GSM együttműködő hálózatok, úgy a hitelesítésük is, ezért a GSM bázisállomásai is kapcsolatban állnak az UMTS maghálózatával, habár ezek nem támogatják az UMTS integritás védelmét sem az UMTS titkosítási algoritmusait. Hogy a hitelesítés mégis működjön, a GSM bázisállomás által kiszámított adatok egyszerűen továbbléphetnek a maghálózaton. A Kc kulcsot az IK-ból és a CK-ból számítják ki:

1. Az IK és CK 128 bites kulcsokat 64 bites kulcsokra darabolják: IK = IK1||IK2 és CK = CK1||CK2
2. Kc = CK1 ⊕ CK2 ⊕ IK1 ⊕ IK2

A GSM-UMTS közreműködés miatt a GSM telefonok továbbra is lehallgathatóak az IMSI Catcherrel még ha az UMTS hálózaton keresztül kommunikálnak is. Az UMTS telefon lehallgatása viszont ezzel a módszerrel nem működik, mert a Catcher nem ismeri a K kulcsot, mely az USIM-ben és a HSS-ben is egyforma, ezért nem tudja legenerálni az AV hitelesítő vektort. Saját USIM kártyával viszont lehetséges, hogy a lehallgatandó készüléket a saját emulált GSM bázisállomásra való csatlakozásra kényszerítve le lehessen hallgatni. Megnehezíti a becserkészést az, hogy minden telefon a cellában azonos jelerősséggel próbál sugározni, hogy egyik se zavarja a másik jelét. A bekapcsolt Catcher nagy jelerősségét észlelve több telefon is megpróbál majd rácsatlakozni, csakhogy a Catcher csak egy telefont tud egyszerre kezelni és nehéz eltalálni, hogy melyik IMSI tartozik a keresett telefonhoz. Ha mégis sikerül, a catcher mint telefon küldi tovább a befogott IMSI-t és vár a (RAND, AUTN) válaszra. Ha ezt megkapta, GSM bázisállomásként küldi tovább a telefonnak. A telefon erre válaszol a RES-el, amit bár a Catcher nem tud leellenőrizni, de nem is fontos. Válaszként az A5/0 algoritmust küldi el a telefonnak (ami a titkosítás kikapcsolását jelenti) és közben az UMTS hálózattal úgy kommunikál mint egy UMTS telefon. A legfőbb árulkodó jele az ilyen lehallgatásnak, hogy a hívott fél nem látja a hívó számát.

Release 6 (2004) – 3.75G

      Az újabb kiadás főként az uplink HSPA csatorna (HSUPA) miatt történt, ami a feltöltési sebességet növelte meg 5.76Mbps-ra. Erre azért volt szükség mert egyre több telefonról volt IP alapú hívás, képküldés és fájlküldés kezdeményezve. A HSUPA modulációja kezdetben BPSK volt, később felemelték 16-QAM-re. Emellett gyorsabb csomag ütemező algoritmust alkalmaztak az uplink és downlink csatornákon egyaránt. Sok más újítást is bevezettek, mint például a HARQ (Hybrid Automatic Repeat-Request), ami hibajavító bitekkel kombinálja az információt, hogy a kis hibák újraküldés nélkül is javíthatóak legyenek. A szolgáltatások terén az MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service) a legkiemelkedőbb, ami egy point-to-multipoint szolgáltatást (pl. Mobil TV, rádió) tett lehetővé.

      Az IP alapú telefonos hálózat együttműködhet más IP alapú hálózattal is, mint például a WLAN (Wireless Local Area Network). A WLAN integrálása újabb hardvermodulok és protokollok implementálását vonta maga után hálózati és magasabb rétegekben. A módosításokat elsősorban a telefonban, a hitelesítésben, a szolgáltatásokban és azok QoS paramétereiben, a mobilitás-menedzsmentben valamint a számlázásban kellett elvégezni. Bár az IEEE 802.11 szabványok 54Mbps sebességre is képesek, lefedettségi területük meglehetősen kicsi (pár 100 méter), a NodeB pár kilométeres hatósugarához viszonyítva. Mikor a telefon mindkét hálózat lefedettségében van, akkor átállhat a WLAN-ra, ha nem elég nagy az UMTS sebessége. Az ilyen típusú automatikus átállást vertikális handovernek hívják. Hogy a telefon erre képes legyen, dual (kettős) típusú USIM kártyára van szüksége, mely ismeri az UMTS és a WLAN frekvenciákat és modulációs sémákat is. Két alapvető együttműködési architektúra létezik: szorosan és lazán csatolt. A szorosan csatoltnál a Wi-Fi hotspotok a telefonszolgáltatóhoz tartoznak, melyek az UMTS maghálózatán át kapcsolódnak a hívott számhoz. Ehhez szükség van a WAG (Wireless Access Gateway) és a PDG (Packet Data Gateway) átjárókra, melyek védik a maghálózatot és menedzselik a hívások paramétereit. A laza csatolás akkor érvényes, mikor saját Wi-Fi routerről csatlakozunk az internetre. Ebben az esetben a hívás nem érinti a celluláris hálózatot, hanem interneten történik. Ennek hátránya, hogy handovernél (mikor átlépünk egy másik hotspot hatókörébe) a kapcsolat folytonossága megszakad és minden szolgáltatás működése leáll, majd kapcsolódás után újra elindul. Ezzel szemben a szorosan kapcsolt architektúra garantálja az adott QoS szintet és az észrevétlen mobilitást.

Az AAA szerver feladata, hogy csak a hitelesített előfizető adatait engedje át. A GGSN-re és a PDG-re úgy lehet tekinteni mint Foreign Agent-re (FA), mely mobil csomópont (telefon, laptop stb.) mobilitását kezeli. A handover szükségessége nem a jelerősség alapján, hanem az előfizető igényei alapján dől el, például hogy milyen sebességigényű alkalmazást futtat. A handovernél az IP cím megváltozik. Hogy a kommunikáció mégis folytonos maradjon, mobilitási menedzsmentre van szükség. Ez több OSI rétegen is aklamazható (alkalmazási, szállítási, IP, stb.) de a leggyakoribb a SIP (Session Initiation Protocol) és a MIP (Mobile IP) protokoll használata.

1. Amikor a telefon bizonyos algoritmusok alapján úgy dönt, hogy hálózatot vált, kérést küld az FA-nak, ami továbbítja a kérést a Mobiliti Anchor-nak (MA).
2. Az MA ezután hitelesítést kér a telefontól ami alapján az AAA/HSS eldönti, hogy hozzáférhet-e a hálózathoz. Akkor is visszautasíthatja a telefont, ha nincs elegendő erőforrás az új hálózatban.
3.  Ha a hozzáférést megkaphatja, akkor az MA elkezdi a csomagok pufferelését és értesíti az FA-t a handover alkalmazhatóságáról, amit az FA továbbküld a telefonnak.
4. A telefon lecsatlakozik a jelenlegi hálózatról és csatornakezdeményezést indít az új hálózatban. Mivel a hitelesítés már megtörtént, ez nagyon gyors folyamat.
5. A handover folyamatáról az MA is értesül, ami abba hagyja a csomagok pufferelését és továbbítja azokat a maghálózatba és értesíti az FA-t a handover befejezéséről.

Release 7 (2006) – 3.9G

      Az uplink és downlink csatornák sebességét megnövelték (Evolved HSPA vagy HSPA+) antennarácsok alkalmazásával, melyeket MIMO (Multiple In Multiple Out) antennaként és nyalábformáló fázisrácsként használnak. A HSDPA a 16-QAM modulációnál maradt, ám a MIMO technológia 28Mbps-re emelte az adatsebességet jó csatorna-körülmények között. Az antennarács egy 2x2-es antennamátrix, azaz 2 vevő antenna a telefonban és 2adó antenna a bázisállomásban. Az antennapárok negyed hullámhosszra vannak egymástól, hogy a fázistolás 90 fok legyen közöttük. A bázisállomás duplán küldi az adatokat mindkét antennán egyszerre, a telefon pedig kombinálja az adatokat, fázistolást végez.  A telefon és a bázisállomás a MIMO üzemmód előtt kommunikálja a CQI-t (Channel Quality Information) és a PCI-t (Precoding Control Information), melyek a transzport blokkok és a csatorna állapotára utaló információk. Ez utóbbi jósolt adat, és ha nem elég jók a becslések, akkor a kommunikáció szinguláris módban (szimpla adatfolyamban) fog folytatódni. Az uplink csatornát csak később, a Release 11-ben teszik MIMO üzembe. Itt egyelőre csak a modulációt emelték BPSK-ról 16-QAM-re, ami 11.5Mbps-re növelte a sebességet jó csatornakörülmények között. A downlink csatorna modulációját később 64-QAM-re cserélték.

      Az UMTS frekvenciái nagyobbak a GSM frekvenciáinál, ami sűrűn lakott övezetben, ahol amúgy is kis cellák kellenek nem okoz problémát, viszont például Ausztráliában, ahol a populációsűrűség kisebb, nagyobb cellákra van szükség (60km), ami alacsonyabb frekvenciák használatát is megengedi. Ott 850MHz-en sugároznak a szolgáltatók, és mivel a terület többnyire lapos, a 3GPP szabvány a release 7-ben 180km-re növelte a maximális cellaméretet.

      A HSPA egyik hátránya a GSM-el szemben a nagy energiafogyasztás az üres adatátvitel során (például 2 weboldal letöltése között). Még ha nem is közlekedik semmilyen felhasználói adat miközben egy weboldalt olvasunk, jelentős mennyiségű energiára van szükség a kontroll-adatok továbbítására a kapcsolatfenntartás megőrzése érdekében, valamint az esetleges beérkező adatok figyelése miatt. Van egy 15-30 másodperces korlát, ami után az eszköz a kapcsolatot energia-takarékos üzemmódba helyezi és erre 30-60 másodperc múlva az alvó üzemmód következik. A felébredés 2-3 másodperc alatt megy végbe, mikor például a felhasználó ráklikkel valamire. A csomagkapcsolat hatékony fenntartásának fejlesztését a release 7-ben CPC-nek hívták (Continuous Packet Connectivity). A célja az állapotváltozások számának csökkentése, amivel a késés és jelzések száma is csökken.

      A segélyhívás során a hálózat bekapcsolja a telefon AGPS (Assisted Global Positioning System) modulját, hogy a segélyszolgáltatás rögtön megtalálja a telefon pozícióját. Ez már régóta téma a segélyhívások terén, csakhogy a korábbi GPS technológiáknak több percbe tellett míg megtalálták a műholdakat. Az AGPS keresés előtt lekéri a mobil vagy WiFi hálózatról a GPS műholdak aktuális pozícióját, így rögtön megtalálja majd azokat. A telefon megkapja a műholdpálya adatait is, így előremenőleg több napra is kiszámolhatja a pozíciókat. Bár a vészhívás ingyenes, a GPS adatok közlése adatkommunikáció révén valósul meg, amit a szolgáltató számlázni fog.

3G hálózatok:

• UMTS (Universal Mobile Telecommunication Service) – Amerika és Európa
• CDMA2000 (Code Division Multiple Access 2000) – Európa, Japán, Kína

 4. Generáció (4G): 2008-2017 (digitális, 1.8-8 GHz, 100Mbps, folyamatos internethozzáférés)

      Első sorban az adatsebesség megnövekedése tűnik fel a felhasználói szemszögből. Emellett fejlődött a multimédiás szolgáltatások száma is. Az UMTS következő kiadása vezette be a 4. generációt és architekturális változásai miatt új nevet kapott: LTE (Long Term Evolution).

Release 8 (2008)

      Az architektúra egyszerűsödött, hisz az RNC funkciókat a NodeB bázisállomsáokba pakolták, habár ez újabb interfészek beiktatását vonta maga után. A bázisállomások az X2 interfészen keresztül egymáshoz is kapcsolódnak, mely a handover műveleteket gyorsítja, akár az UMTS esetén. A handover gyorsasága nem a hanghívások, hanem inkább az adatkommunikáció miatt fontos, ugyanis az egyre nagyobb adatsebességgel működő „online” alkalmazások folytonos működését biztosítani kell. Az adatkapcsolati rétegben a MAC (Media Access Control) réteg biztosítja a címzést, és a közeghozzáférést a megfelelő sávszélességgel és itt dől el, hogy az uplink és a downlink milyen mértékben lesz kihasználva. Tulajdonképpen ez érvényesíti a kapcsolat QoS-ét (minőségét). A QoS feltételek a PCRF-ből származnak, melyek az alkalmazások típusa alapján vannak meghatározva. Ezek alapján a MAC ütemező eldönti, hogy az adott pillanatban melyik felhasználó mekkora sávszélességet kap uplinkre és downlinkre. Az ütemezési algoritmus lehet:

• Round Robin: minden felhasználó egyforma sávszélességet kap a csatornaállapotoktól függetlenül
• Arányos: a QoS prioritások és a teljes adatforgalom függvényében – ez a leggyakoribb
• Késés-korlátolt: az alkalmazások késés-tűrése alapján prioritizál
• Maximum C/I: a lehető legnagyobb sávszélességet kapja mindenki (a megmaradt üres sávot is szétosztja)

Az UMTS-ben az adatcsatorna használati ideje kezdetben 10-80ms volt. A release 5-ben a HSDPA már csak 2ms-ra foglalta le a csatornát az adatok elküldésére, a release 8-ban pedig ez 1ms-ra csökkent (TTI – Transmission Time Interval).  Az EPC (Evolved Packet Core) többé nem működik közre az áramkörkapcsolású hálózattal, kizárólag IP alapú, így nincs szükség protokoll átalakításokra. Ennek a maghálózatnak az elrendezése sokkal laposabb mint a korábbiak, valamint szétválasztja a felhasználói és jelzési információkat (User Plane és Control Plane). A maghálózat komponenseinek részletes leírása az LTE című bejegyzésben megtalálható.

      Az UMTS többutas terjedéses problémájának javítására downlink (HSDPA) csatorna modulációja CDMA helyett OFDM-mel van kombinálva. Az OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) segítségével a bázisállomás az információt 180kHz szélességű blokkokban küldi el a telefonnak, így az 5MHz-es sávban 25 információblokk fér bele (a DC alvivőket leszámítva). A blokkban használt sávok szélessége 15kHz, így 12 darab alvivőről van szó, melyek merőlegesek egymásra. Nem polarizációs diverzitásról van szó, hanem gondosan megválogatott frekvenciákról, melyek spektruma olyan, hogy a mintavételezés pillanatában minden más frekvenciájú alvivő nulla amplitúdójú.

Minden információblokk 0.5ms ideig tart, amibe 7 szimbólum fér bele. Egy ütemben (1ms-os TTI intervallumban) 2 blokk, azaz 14 szimbólum hagyja el a bázisállomást.

Minden felhasználóhoz egy információblokk tartozik az adott pillanatban, tehát minden szimbólum az övé. Minél sűrűbben tartozik egy felhasználóhoz egy információblokk, annál nagyobb az adatsebesség ami az ütemezéstől függ.

Hogy frekvenciák ortogonalitása megmaradjon, a 15kHz-es korlát szigorúan be kell legyen tartva. Gyors mozgáskor viszont a frekvenciák eltolódnak a Doppler effektus következtében, így problémák léphetnek fel a szinkronizáláskor. Ennek észlelése könnyebb, ha keskeny sávot alkalmazunk, viszont akkor megnő a szimbólum időtartama és lassul az adatsebesség. 

A távolság, fizikai akadályok és sebesség okozta eltolódások miatt szimbólumközi interferencia léphet fel (a szimbólumok egymásba csúsznak), ami elkerülhető egy védősáv (guard) használatával. Ez az idő tartományra vonatkozik és egy apró szünetet jelent a szimbólumok között, ami ismét az adatsebesség rovására jár. A celluláris hálózatoknál inkább a sok keskeny sávú alvivő a jobb, mert nagyobb cellakapacitást tesz lehetővé és több szimbólumot az adott sávban. Bár a szimbólum nagy időtartama miatt a guard időtartam is nagy kell legyen és ettől kb 2 szimbólumnyi idő elveszik azaz egy ütemben 14 helyett csak 12 szimbólum hagyja el az adót, viszont protokoll overheadjének aránya kicsi és a cellán belüli interferenciák is jobban kiküszöbölhetőek a hosszú szimbólumokkal (a Rake könnyebben megkülönbözteti a más útvonalon érkezett szimbólumokat). A lassú szimbólumráta mellett a Doppler effektusra való érzékenység is hátránya az OFDM-nek. 
      
      A csatorna ütemezése nem csak idő, hanem frekvencia tartományban is történhet. Ehhez viszont több vivőre van szükség, legalább kettőre, minek neve DC-HSDPA (Dual Carrier – High Speed Downlink Packet Access). Két vivővel nem 5, hanem 10MHz áll a felhasználó rendelkezésére, amellyel az adatsebesség is megduplázódik. Az ütemező a két frekvencia között váltogat annak függvényében, hogy melyik a jobb az adott helyzetben. Mindkét sáv rendelkezik egy jelzőcsatornával, melyen az átviteli formátum és a CQI visszajelzések közlekednek. A csatorna minőségének függvényében a két vivőn különböző formátumú (modulácjójú és kódolási sémájú) adatok folynak. A bázisállomás csatornáinak számát nem növelték a DC-HSDPA miatt, hanem ez csak akkor használható, ha vannak szabad csatornák. Ahogy a cella egyre jobban telítődik, annál kisebb az esélye, hogy a felhasználó mind a  két vivőt megkapja. Ezt még az 3. generációban próbálgatták és kb. 42Mbps adatsebességet értek el vele 64-QAM moduláció mellett, akár a szimpla vivős 2x2 MIMO technológiával. Rögtön látszik, hogy a DC-HSDPA-t és a MIMO-t együtt használva a sebesség duplájára, 84Mbps-ra nő (de csak később, a Release 9-ben).

      A femtocellák is népszerűsödtek az LTE bevezetésével, melyek olyan kis hatósugarú bázisállomások, melyeket épületeken belül telepítenek akár egy Wi-Fi routert. Etherneten keresztül csatlakoznak az internetre, ahonnan elérik a mobilszolgáltató maghálózatát megkerülve a többi nagy bázisállomást a környéken. Emiatt olcsóbbak a hívások, bár a plusz sávszélességért az internetszolgáltatónak is fizetnünk kell. Akár egy routerben, le lehet tiltani bizonyos telefonokat, hogy a hálózathoz csatlakozzanak. A femtocellák 3 új hálózati elemet vezetnek be:

1. Home eNodeB (HeNB): bázisállomás, mely a rádiós lefödöttséget biztosítja és az eNodeB képességeivel rendelkezik.
2. Security Gateway (SeGW): a szolgáltató hálózatban van és az IPsec átjárók létrehozásáért felelős a HeNB-k felé.
3. Home eNodeB Gateway (HeNB-GW): a szolgáltató hálózatában van, feladata több HeNB adatainak összegyűjtése az S1 interfészen keresztül.

Az FMC (Fixed-Mobile Convergence) egy olyan technológia, mely a Wi-Fi szabványokba építhető bele. Ahogy a neve is sugallja összemossa a fix és mobil hálózatokat az internet segítségével. Mivel most már mindkettő IP alapú, elérhető például, hogy a mobiltelefonról kezdeményezett konferenciát egy fix telefonra irányítsuk át.

Release 9 (2009)

      Többnyire a Release 8 hibáit orvosolták valamint bevezették az uplink DC-HSUPA-t is, ami akár a downlink esetén, megduplázta az adatsebességet, 20Mbps-ra. A downlink irányába pedig kombinálták a kétvivős technológiát a MIMO-val, így 84Mbps-ra növekedett a letöltési sebesség. 

Release	Moduláció	Adatsebesség	Technológia
8	16-QAM	23.4	DC-HSDPA
8	16-QAM	28.0	DC-HSDPA
8	64 QAM	35.3	DC-HSDPA
8	64 QAM	42.2	DC-HSDPA
9	16 QAM	46.7	DC-HSDPA + MIMO
9	16 QAM	55.9	DC-HSDPA + MIMO
9	64 QAM	70.6	DC-HSDPA + MIMO
9	64 QAM	84.4	DC-HSDPA + MIMO

Ezenkívül kivették azt a korlátozást miszerint a két vivő egymás közvetlen szomszédja kell legyen. A mobilitási (cellaváltási) döntéseket elég egyik vivő paramétereinek alapján meghozni. Az analóg televíziós műsorszórás megszűnésével felszabadultak az analóg frekvenciasávok és a vezeték nélküli internet hozzáférésre foglalták le.

A TxAA (Transmit Adaptive Array) egy olyan technológia, mely lehetővé teszi az egy antennával rendelkező telefonnak is a 2x2-es MIMO-val küldött jelek vételét. A telefon folyamatosan küldi a bázisállomásnak a két megjósolt adási súlyt, melyekkel a bázisállomás a nyalábformálást végzi, hogy a telefonnak maximális jelet közvetítsen.

A nyalábformálás már a Release 8-ban létezett, de az csak egy adatfolyamú volt. A 2 antennával viszont egyszerre 2 adatfolyamot is lehet a térben irányítani (Dual-layer beamforming). Minél több antenna van, annál több irányt lehet szabni a rádióhullám nyalábjának. A nyalábok külön telefonokra vagy mind egy telefonra irányíthatóak. Az adás módszere többféle lehet:

1. Egyetlen adó antenna
2. Transzmit-diverzitás: több antenna van, mindenik ugyanazt az információt küldi, de más kódolással, más frekvencián. Az LTE ezt tartalékként használja, ha a többi nem bizonyul elég jónak. A kontroll-csatornák mind transzmit-diverzitással működnek.
3. Nyílt hurkú térbeli multiplex CDD-vel (Cyclic Delay Diversity): kevesebb visszajelzést igényel a telefontól (nem kell elküldeni az előkódoló mátrix indikátort). Az LTE ezt akkor használja, ha a csatorna információ hiányos vagy nagyon gyorsan változik (pl. a telefon nagy sebességgel mozog).
4. Zárt hurkú térbeli multiplex: hogy a csatornaválasztás gyorsabb legyen, a bázisállomás cella-specifikus referenciajeleket küld több erőforrásból és több időrésben. A telefon erre csatornainformációval válaszol, közölvén, hogy melyik indexű előkódolási mátrix lenne a legjobb, melyet mindketten ismernek.
5. Multi-user MIMO: hasonló a 4. módhoz, csakhogy minden irányított adatfolyam más-más telefonhoz tartozik.
6. Zárt hurkú térbeli multiplex egy adatfolyammal: hasonló a 4. módhoz, viszont csak egy adatfolyamra érvényes. Az alkalmazott előkódolási mátrix 2 antenna esetén a nyalábformáláshoz hasonlóan irányítja a rádióhullámokat, azonban nem akkora mértékben, mint a következő mód.
7. Nyalábformálás: a súlyokat a bázisállomás a telefon uplink jelének irányából számítsa ki. Ennek észleléséhez és a nyalábformáláshoz az antennák távolsága kisebb kell legyen fél hullámhossznál. Mivel az uplink és a downlink is ugyanazon a frekvenciasávon működik, az uplinket referenciajelként lehet használni. Az LTE nem szab meg semmilyen módszert a súlyok kiszámítására. Úgy is meg lehet becsülni, hogy a bázisállomás kapcsolgatja a nyalábokat, és ahol a legerősebb visszajelzést kapja, az a helyes irány. A bázisállomáson használt antennák számára sincs szabvány.
8. Dual layer beamforming: a bázisállomás egyszerre két adatfolyam súlyait is kezelni tudja, így a nyalábformálás térbeli multiplexszel kombinálható. Minden adatfolyam referenciajelei más kódolással kell rendelkezzenek. A két adatfolyam egy vagy két telefonhoz köthető.
9. 8-layer transmission (Release 10): itt már 8 antenna van felszerelve. A referenciajelek telefon-specifikusak és az adatfolyam részei még az előkódolás előtt. Ez azt jelenti, hogy a telefon ismerni fogja az előkódolt üzenetet, így nincs szükség előkódolási táblázatokra, nem kell előre tudni az előkódolási sémát. Más szóval a térbeli multiplex használni tudja a súlyok teljes skáláját és nem kell diszkrét előkódolást használjon, mint a 3. és 4. módokban.
10. 8-layer transmission (Release 11): ugyanaz mint a 10. csak DCI-2D formátumot (Downlink Control Indicator) használ és támogatja a CoMP (Coordinated Multi Point) adatküldést. A CoMP számításba veszi a többi cellákról érkező jelek formálhatóságát, a DCI-2D pedig információkat nyújt a Doppler eltolódásról, a Doppler szórásról, az átlagkésésről és a szórás-késésről (mely a többutas terjedésnek köszönhető).

A hitelesítés hasonlóképp folyik mint a GSM esetén, csupán a csomópontok nevei változtak. Az USIM továbbra is az IMSI azonosítót (felhasználónevet) és a K kulcsot (jelszót) tartalmazza, melyek megtalálhatóak a HSS adatbázisban. A hitelesítést az AuC végzi, mely a HSS-ben van. A telefon és az MME közti üzenetek NAS (Non Access Stratum) üzenetek. A NAS egy olyan protokoll réteget takar a telefon és a maghálózat között, mely biztonságos úton kommunikálja a jelzési üzeneteket biztonsági kulcsokat használva. A NAS üzenetek transzparensek az eNodeB számára.

• Regisztráláskor a telefon elküldi a SIM-ből az IMSI-t az MME-nek. Az MME ezt továbbítja a HSS-be az SN ID-val együtt (Serving Network ID – a telefon jelenlegi hálózatának azonosítója)
• A HSS az (AUTN, XRES, RAND, Kasme) számokkal válaszol az MME-nek, ahol:
• az AUTN (AUthentication TokeN) egy azonosítószám, ami az SQN (Sequence Number), AK (Anonymity Key), AMF (Authentication Management Field) és MAC (Message Authentication Code) kombinációjából van kiszámítva: AUTN = (SQN⊕AK)||AMF||MAC.
• az XRES (Expected Authentication Result), mely egy RAND-ból generált szám az f2 függvény és a K kulcs segítségével: XRES=f2(K,RAND).
• Kasme (Master secret key), mely szintén a K kulcsból készült egyéb paraméterek létrehozásának lesz a kulcsa.
• Az MME a Kasme-ből felépít bizonyos NAS biztonsági kulcsokat, mint a K-NAS-enc (NAS layer encryption key), K-NAS-int (NAS layer integrity protection key) és a K-eNB (Key for eNodeB). Ezután továbbküldi a telefonnak a (RAND, AUTN, KSIasme) számsorozatokat, ahol a KSIasme (Key Selection Identifier) a Kasme párja és arra jó, hogy a telefon és az MME szinkronban marajdon a biztonsági szint kontextusában, például, ha a telefon közbe idle üzemmódba lép.
• A telefon elvégzi az SRES kiszámítását a kapott vektorokból ugyanazzal a módszerrel, ahogy az MME, majd elküldi ezt az MME-nek. Az MME összehasonlítja az XRES-el és az egyezés hitelesíti a telefont.
• Ha a hitelesítés sikeres, akkor az MME kezdeményezi a NAS biztonsági procedúrát közölve a telefonnal a titkosítási és integritási algoritmusokat. Ezekkel a telefon legenerálja a K-NAS-enc, K-NAS-int biztonsági kulcsokat és közli az MME-nek, hogy a biztonsági mód készen áll.
• Az MME ezután az eNodeB-vel épít fel egy újabb biztonsági kapcsolatot (S1AP – S1 Application Protocol), tudatván vele a telefon biztonsági képességeit. Az eNodeB legenerálja a K-RRC-enc (Radio Resource Control encryption key), K-UP-enc (User Plane encryptionkey) és K-RRC-int (Radio Resource Control integrity key) kulcsokat.
• Az eNodeB RRC biztonsági mód parancsot küld a telefonnak, mely tartalmazza az AS (Access Stratum) integritásvédelem és biztonsáági algoritmusokat.
• A telefon is legenerálja az RRC kulcsokat ezekkel az algoritmusokkal és jelzi az eNodeB-nek, hogy az RRC biztonsági mód felépítése készen áll. Az eNodeB válaszol az MME-nek, hogy a biztonsági kontextus felépítése befejeződött.

Láthatóan a bázisállomás is azonosítja magát a telefonnak és az MME-nek is, a jelzési üzenetek pedig integritás védelemmel rendelkeznek, így az IMSI Catcher vagy egyéb bázisállomást emuláló lehallgató készülék nem tudja kikapcsolni a kommunikáció titkosítását és lehallgatni a telefont. Ha mégis, a telefonok rendelkezhetnek olyan tulajdonsággal, mely jelzi, ha a 2G hálózatra lép vagy ha az A5/0 algoritmust használja az USIM.

Bár az LTE fejlett technológiájú és biztonságosabb hálózat a korábbiaknál, vannak biztonsági gyengéi:

• Fizikai támadások: a népes helyeken kisebb cellákat, több bázisállomást szerelnek fel, bevásárló központokban vagy nagy intézmények épületeiben a femtocellákat költséges HeNB bázisállomások alkotják. Ezek közvetlen kapcsolódnak a maghálózathoz, ezért ha valaki illetéktelen hozzájuk fér, akkor a hálózatba is könnyebben bejut. A hálózat biztonsága az épület biztonságától függ.
• Fals bázisállomások: a femtocellák bázisállomásai a standard nagy bázisállomásokkal ellentétben a piacon is beszerezhetők, így a támadó bármilyen módosított változatot is közzé tehet, melyet lehallgatásra vagy forgalom átirányításra használ.
• Lehallgatás (man in the middle): A telefon az IMSI-t továbbra is titkosítatlanul küldi a bázisállomásnak, melyre a lehallgató átjátszó bázisállomásként válaszol.
• Magánszféra: a támadó paging üzeneteket küld, és ha a telefon a közelben van, akkor a TMSI-vel válaszol. Ezt az üzenetet folyton küldözgetve követhető a telefon mozgása.

Az OTDOA (Time Difference Of Arrival) egy downlink helyzetmeghatározó módszer. A telefon megméri, hogy különböző bázisállomásoktól milyen gyorsan érnek feléje a jelek (TOA – Time Of Arrival). Ezeket elküldi a hálózatban található ESMLC-nek (Serving Mobile Location Center), ami kiszámítja telefon pozícióját.

Release 10 (2010)

      Az LTE advanced alapkövének tekintik a Release 10-et. A fontosabb újítások a CA (Carrier Aggregation), a többantennás vezérlés fejlettebb alkalmazása (8x8 MIMO), az RN (Relay Node) támogatás, valamint az OFDMA és a SC-FDMA.

A CA a frekvenciasáv szélesítésével kívánja megnövelni a kapacitást. Hogy visszafelé is kompatibilis maradjon, az Release 8 és Release 9 vivőit tették módosíthatóvá. Ez magával vonta a MAC és a fizikai réteg módosítását. Legtöbb esetben a csatornák sávszélessége 10MHz. Ezek módosítható (szélesített vagy szűkített) változatait komponens vivőnek hívják. A komponens vivők sávszélességét 1.4, 3, 5, 10, 15 vagy 20 MHz szélességűre lehet állítani és egyszerre összesen 5 vivőt lehet módosítani (aggregálni). A maximális teljes sávszélesség így 5x20=100MHz lesz. A módosítható vivők száma különbözhet az uplink és downlink irányban, ám az uplink komponens vivőinek száma soha sem lehet nagyobb a downlink komponens vivőinek számánál. Emellett a módosítás minden komponens vivőn különböző mértékű is lehet. A legegyszerűbb ha a szomszédos komponens vivők szélességét módosítjuk, melyek ugyanabban a sávban vannak, ám ezt sok esetben a frekvencia-lefoglaló sémák nem engedik meg. Ennek függvényében 3 féle komponens-vivő elrendezés létezik:

1. Sávon belüli, egymással határos komponens-vivők: a legegyszerűbb megvalósítani és a vevő úgy látja mint egyetlen széles sávú csatornát, amihez elég egyetlen adóvevő. A vevő képes kell legyen ebben a sávszélességben dolgozni a teljesítménye csökkenése nélkül.
   
2. Sávon belüli, egymással nem határos komponens-vivők: valamivel bonyolultabb, mert az aggregált vivők távol vannak egymástól, ami külön-külön adó-vevő egységet jelent a vételi oldalon és a telefon szempontjából (ahol a hely, teljesítmény és költség elsődleges szempont) nem előnyös.
   
3. Sávon kívüli, egymással nem határos komponens-vivők: ez több megszorítással jár, mert a sávok tagoltságától függően egyes sávok 10Mhz szélesek is lehetnek.
   

A gyakorlatban legfeljebb 2 vagy 3 komponens vivőt alkalmaznak. A komponens vivők között mindig van egy elsődleges komponens vivő (PCC – Primary Component Carrier), mely a RRC információit hordozza, míg a többi (SCC – Secondary Component Carrier) a felhasználói adatokat. Egyelőre még nincs semmi szabvány, hogy melyik kellene a PCC legyen. Tény, hogy mindenik komponens-vivőnek megvan a maga lefedettsége, ami a nagyobb frekvenciájú sávban lévőnek kisebb, ezért a RRC kapcsolat információit hordozó PCC nyilván a lehető legnagyobb lefedettségű kell legyen, azaz a frekvenciatartomány alsó sávjaiból lesz kiválasztva.

A fenti ábrán csak a fekete telefon tudja aggregálni mindhárom komponens vivőt, míg a fehér telefon csak kettőt, mert nincs a magasabb sávban lévő tartományában.

      Az előző változatban használt 2x2 MIMO technológiát tovább fejlesztették a 8x8 downlink és a 4x4 uplink MIMO bevezetésével. A MIMO üzemmód a több antennával rendelkező telefonoknál csak akkor kapcsol be, ha magas jel/zaj arányú kommunikációra van szükség. Kis sebességigénynél a transzmit-diverzitás használata is elegendő. Ennek eldöntéséhez bevezettek néhány átviteli üzemmódot, melyről RRC jelzésekkel van informálva a telefon. Ezeket még a Release 8-ban elkezdték megkülönböztetni, a Release 10-ben pedig összesen 9 féle átviteli üzemmódot (TM – Transmission Mode) találtak ki. Ezeket az adatfolyamok számából, a használt antennaportok számából, a referenciajel típusából (mely lehet CRS – Cell-specific Referenc Signal vagy DM-RS – Demodulation Reference Signal) és az előkódolási sémából határoznak meg. Az előkódolás határozza meg, hogy melyik szimbólum melyik antennára kerül a moduláció során. Az előkódolás típusa pedig attól függ, hogy hány antenna van, hány adatfolyam és hány antenna port. Az előkódolás célja, hogy a lehető legjobb adásvételt biztosítsa a telefon számára. A jelet több féle fading zavarhatja, aminek kiküszöbölése érdekében az adat mellett referenciajeleket is küld az adó, hogy könnyebben sorba lehessen rakni a szimbólumokat a vételi oldalon.

• A Release 8-ban a referenciajel (CRS) az előkódolás után volt hozzáadva az információhoz, melyből a vevő megsaccolta, hogy a csatorna állapota mennyire befolyásolta a jelet. Ismervén ezt és az előkódolási táblázatot demodulálhatta a vett jelet.
  
• A Release 10-ben a referenciajel (DM-RS) az előkódolás előtt van hozzáadva az információhoz. A referenciajel előkódolt demodulációján alapuló csatorna-becslés tükrözni fogja az adatfolyam csatornájának minőségét és az előkódolást, ami közvetlenül alkalmazható az adatfolyamok koherens demodulálásához. Nincs szükség előkódoló táblázatra, egyedül az adatfolyamok számát kell tudni, ami a transzmissziós rang (a csatorna mátrix rangja, melyben a lineárisan független oszlopok száma határozza meg a dekódolható adatfolyamok számát).
  

Az RN vagy rele-csomópont szerepe nem a jelerősítés, hanem a kapacitás növelése. Egy bázisállomás kapacitását javítja, melyet Donor eNodeB-nek hívnak (DeNB), és melyhez az Un rádiós interfészen csatlakozik. Az RN

Ha az Uu és az Un frekvenciája különböző, akkor az RN típusa 1aRN, ha egyezik, akkor 1RN. Az 1RN esetén az interferencia elkerülése érdekében az adás-vétel időben multiplexált. Az RN és a DeNB funkciói abban különböznek, hogy az MME-t a DeNB választja ki. A fehér telefon mindkét cella lefedettségében jelen van, de jeleit az RN-nek küldi (sokkal kisebb teljesítménnyel), míg a fekete telefon közvetlenül a DeNB-vel kommunikál.

      A Release 10-től az LTE elsősorban azért kapta az „advanced” jelzőt, mert új modulációs technológiát vezetett be. Az OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) és az OFDM közti különbség az, hogy míg az OFDM-ben egy alvivő csak egy felhasználóhoz tartozó szimbólumokat hordozta, addig az OFDMA-ban egy alvivő több felhasználó szimbólumait is tartalmazhatja, azaz az alvivőn több felhasználó osztozik. Az OFDMA tulajdonképpen az OFDM és a TDMA kombinációja.

Az OFMA a szimbólumközi interferencián kívül fázis és amplitúdóváltozásoktól is szenved, melynek kiküszöbölése érdekében a vevő megsaccolja a környezeti paramétereket a referenciaszimbólumok segítségével, melyek az információblokkba vannak benne. Ezek segítségével megbecsülhető, hogy melyik alvivőben a legjobbak az adásvételi kondíciók. A többantennás rendszerekben a referencia szimbólumok (vagy pilot szimbólumok) más-más pozícióban vannak, mindenik antenna máshová helyezi a referencia szimbólumát. Ezek segítik az időbeli szinkronizálást, valamint a frekvenciaeltolódás meghatározását az adó és vevő között. Az OFDMA-t a downlinknél használják. A felhasználó szimbólumainak ilyenforma frekvenciabeli változtathatósága megkönnyíti a térbeli multiplexet és a nyalábformálás műveletét is. Az OFDM és az OFMDA is az adatsebesség növelése érdekében volt bevezetve. Mindkettő FFT és IFFT Fourier transzformálttal dolgozik. Az OFDM-ben az IFFT teljes bemenete foglalt a felhasználó vagy a bázisállomás adataival, míg az OFDMA-ban az IFFT bemenete csakis felhasználói adatokból áll, és annak hiánya zérósokkal van jelölve. Mivel a felhasználók szimbólumai bármely alvivőhöz tartozhatnak, a sok alvivő lefoglalási jelzések miatt nagy lesz az overhead, éppen ezért a lefoglalás nem az alvivő alapján, hanem az információblokkok alapján történik, melyek szélessége 12 alvivő. A legkisebb sávszélesség tehát 180 kHz lehet. 

      Az uplink irányában SC-FDMA (Single-Carrier FDMA)  modulációs sémát használják. Itt mindenik alvivő ugyanazzal a szimbólummal van modulálva, de rövidebb ideig.

Az információblokk szélessége 12 alvivőt foglal magába, akár az OFDMA-ban (a fenti ábrán ebből csak 5 látható). A guard jelet (szünetet) nem a szimbólumok közé, hanem az információblokkok közé teszik. Mivel mindenik alvivőn egy szimbólum van egy időben, teljes sávszélesség burkológörbéje változatlan marad erre az időre és formája csak az alkalmazott modulációtól függ. Az OFDMA túl nagy PAPR-el (Peak-to-Average Power Ratio) rendelkezik. A sok felhasználó komponenseinek IFFT eredménye (az alvivő szinuszhullámainak összege) igen nagy csúcsértékekkel jár az idő tartományban. Ezek eloszlása pedig a Gauss eloszlási sémát követi, ami magával vonja, hogy a teljesítményerősítő back-off üzemmódban kell működjön. Ez azt jelenti, hogy az erősítő lejjebb kell vegye a kimenő jel maximális amplitúdóját, hogy a lineáris üzemmódban maradjon és ne telítődjön túl. A bázisállomáson ez nem is jelent problémát, mert legfeljebb nagyobb teljesítményerősítőt alkalmaz, viszont a telefonban a túlzott energiafogyasztás gyorsan lemerítené az akkumulátort. Az energiatakarékosság miatt használják tehát az uplinknél a SC-FDMA modulációs sémát.

Release 11 (2011)

      A legfontosabb a CoMP (Coordinated Multi Point) bevezetése volt, amely lehetővé tette, hogy a telefonok több cellával is kommunikáljanak, ami jelentősen növelte az adatsebességet. Ez inkább a bázisállomás celláinak szélén fejtette ki hatását. Mivel a cellák ugyanabban a sávban dolgoznak, a telefon a szomszédos cellák frekvenciáit is használhatja, ha azok szabadok. A CoMP tulajdonképpen a szomszédos cellák bázisállomásainak antennáit hangolja össze. Ez magával vonja néhány új hálózati struktúratípusnak a fogalmát:

• Homogén hálózat: minden bázisállomás ugyanolyan teljesítményű és típusú.
1. Az eNodeB bázisállomások saját elkülönült cellákkal rendelkeznek.
   
2. A bázisállomáshoz több nagy teljesítményű RRH (Remote Radio Head) csatlakozik, melyek a cella lefödöttségét hivatottak megnövelni.
   
• Heterogén hálózat (HetNet): a bázisállomások más-más típusúak és teljesíményűek.
1. A bázisállomáshoz több különböző teljesítményű RRH csatlakozik, melyeknek azonos a cella-azonosítójuk a bázisállomás cella-azonosítójával.
2. A bázisállomáshoz több különböző teljesítményű RRH csatlakozik, melyeknek különbözik a cella-azonosítójuk a bázisállomás cella-azonosítójától.
   

Mind a 4 esetben a középső bázisállomás cellája az elsődleges cella (Pcell – Primary cell) és a többiek másodlagos cellák (Scell – Secondary cell). Ezek bár ugyanabban a sávban vannak, más frekvencián kommunikálnak a telefonnal, emellett egyik antennához hamarább odaér a kisugárzott információ, mint a másikhoz. A bázisállomástól távol lévő telefonnak már korábban is szüksége volt egy TA (Timing Advance) értékre, mely a hullámterjedés késésének nagyságát jelezte a telefonnak. Hogy a bázisállomáson ne tevődjenek egymásra a hozzá közel és távol álló telefonok adatcsomagjai, a bázisállomás tájékoztatja őket a TA révén, hogy milyen késéssel küldhetnek. A Release 10-ben a hálózat ugyanazt a TA-t használta az elsődleges és a másodlagos cellákban is, mivel a telefonok úgyis egyszerre csak egy cellával kommunikáltak. Mivel a CoMP esetében a telefon töb bázisállomással is kommunikálhat, nem küldheti mindnek ugyanazzal a késéssel. A CoMP miatt tehát a Release 11-ben más időzítést használnak az RRH és az eNodeB komponens vivőinek.

Mivel sok alvivő ugyanazt a TA-t használja, ezek csoportokra oszthatók, melyeket TAG-oknak (Timing Advance Group) hívnak. Egyes vivők az elsődleges cellához, mások a másodlagos cellához fognak tartozni, így a csoportok is két félék lehetnek: pTAG (primary TAG) és sTAG (secondary TAG). Ugyanaz az sTAG több másodlagos cellához is hozzárendelhető. Minden TAG-hoz tartozik egy TRC (Timing Reference Cell) és egy TAT (Time Aligment Timer), amelynek értéke minden TAG-ban más. A TRC a pTAG esetén az elsődleges cella, az sTAG esetén pedig bármely másodlagos cella, mely az adott sTAG-hoz tartozik. A rádiós erőforrások igényét figyelembe véve a Release 11 két komponens vivőt enged meg, így a telefon csak egyetlen másodlagos cellát lát az sTAG-on belül (azt amelyikben van). Amikor két vagy több adóállomástól érkeznek a downlink adatok a telefonra ugyanazon a frekvencián és ugyanabban a keretben, azt JT-nek (Joint Transmission) nevezzük. Ha a keretek ütemezve vannak, akkor azt DPS-nek (Dynamic Point Selection) nevezik.

A JT esetén ugyanazt az információt küldi mindkét adó, és a különböző TA-k miatt a két jel ugyanabban a fázisban érkezik a telefonhoz (koherens JT). A konstruktív interferencia megnöveli a jelek amplitúdóját, így a hívásminőség javul. A DPS ezzel szemben váltogat az antennák között annak függvényében, hogy melyik szenved kevésbé a zajtól, interferenciától. A nem-használt cellákat arra az időre elfolytja (elnémítja). Az uplink irányban csak a JR (Joint Reception) létezik, ahol a telefon jelét több bázisállomás is fogja, majd összegzi a jeleket az erősítés céljából. A bázisállomások kommunikációja miatt további késleltetéseket kell az információhoz adni. Ezt kevésbé használják, mert a telefon nagyobb teljesítménnyel kell sugározzon a távoli bázisállomásnak, ami fogyasztja az akkumulátort. A CoMP magával vonta a CA fejlesztését is.
     A downlink csatornában használandó vivők számát felemelték 8-ra (8C-HSDPA), ami 5MHz x 8 = 40MHz sávszélességet jelent és így a 2x2-es MIMO-val 345 Mbps sebesség érhető el. Ugyanez a sebesség 4x4 MIMO-val fele számú vivővel is elérhető ha ugyanazt a 64-QAM modulációt használják. Uplink irányban maradt a DC-HSDPA a 2x2 MIMO technológiával, ám a moduláció 64-QAM-re módosítása a sebességet 34 Mbps-ra emelte.

Release 12 (2015)

      Az egyre növekedő adatforgalom több cellát és nagyobb cellakapacitást igényel. A 2G homogén hálózattal ellentétben a 3G és 4G-ben a cellaméretek nem azonosak. A cellák szélén lévő kis cellák a cellaszélén lévő telefonok adatsebességét és adatminőségét hivatottak javítani (heterogén hálózat). Ám amikor a felhasználó gyorsan halad a kis cellák mentén, rengeteg mobilitási jelzőüzenetet használ a telefonja.

A kis cellában tartózkodó telefon a CoMP-nak köszönhetően kapcsolatban van a makro cellával is. Ez a kettős kapcsolat lehetővé teszi hogy a mobilitási menedzsment (MM) a makro cellában történjen, míg a kis cellában megnövekedhet az UP (User Plane) kapacitása. Emellett a sávon belüli CA a kis és makrocella között további 50%-al növeli a nyereséget a cella szélén. A CA és a CoMP ilyen módú együttes használata a kis cellák fejlesztése céljából a Dual-Connectivity (DC) néven ismert. Hasonlít a CoMP-ra, de más frekvenciát igényel a macro és kis (pico) cellában valamint a telefon két rádiós erőforrással kell rendelkezzen és két uplink vivőt használjon. Ez lényeges különbség a Release 11-ben bevezetett CoMP-hoz képest. Két DC üzemmód létezik, a szinkron és az aszinkron mód. Ezek a komponens vivők szinkronizáltságára vonatkoznak. Míg egy bázisállomáson minden komponens vivő szinkronban van, a makro és pico cella bázisállomásainak vivői nem biztos, hogy szinkronban vannak egymással. Ezért a telefon, mely csak a szinkron DC-t ismeri nem fog működni az aszinkron vivőkkel. A szinkron DC a vivőket szinkronizáltnak tekinti akár a CA, míg az aszinkron DC nagy időeltéréseket (max 500us) is megenged. Emiatt az erőforrásszabályzó is szekvenciálisan és nem egyszerre adagolja a teljesítményt a vivőknek.

      A DC esetében az adott hordozó által használt rádiós protokollok architektúrája attól függ, hogy a hordozó hogyan van beállítva. A hordozó (bearer) egy 2-es OSI rétegű rádiós csatorna, mely felhasználói vagy konfigurációs adatokat szállít magasabb rétegekbe. A DC esetén ennek három típusa van:

1. Elsődleges vagy Master cellacsoport (MGS – Master Cell Group) hordozó
2. Másodlagos cellacsoport (SGC – Secondary Cell Group) hordozó
3. Elválasztott (Split) hordozó

Mivel az MeNB (Master eNodeB) a jelzési információkat is kezeli, az MGC hordozó csakis az MeNB rádiós erőforrásait használja (szürke). Az SeNB (Secondary vagy Slave eNodeB) csakis a felhasználói adatokat kezeli, ezért az SGC hordozó csakis az SeNB erőforrásait használja (világos kék). Az MeNB-ban is nyilván jelen vannak a felhasználói adatokat kezelő erőforrások is, ám ezeket a csakis a Split hordozó kezeli (sötét kék). Az SeNB és az MeNB erőforrásai a bázisállomásokat összekötő X2 interfészen válnak közössé a Split hordozó számára. Hogy a Split hordozó a felhasználói adatokat az MeNB-be vagy az SeNB-be küldje-e a downlink esetén, azt az MeNB dönti el annak alapján, hogy miket mér a telefon (UE) az adatforgalom állapotáról, a cella terhelésről és a hordozó-típusokról. Erről az X2 interfészen tájékoztatja az SeNB bázisállomást. Az uplinkben a telefon egyszerre csak egyik PDCP-t használja. A kapcsolgatás megvalósításához szükség van 3. rétegű üzenetekre is.

      A 16- és 64-QAM helyett a 256-QAM modulációt vezették be a downlink csatornának, mely növelte a kis cellák nyereségét. Ehhez új modulációs és kódolási sémát kellett az index-táblázathoz adni, melyet a telefonról érkező CQI alapján választ ki a bázisállomás.

      A CA-t is tovább fejlesztették. Míg a Release 10 és 11-ben az FDD vagy TDD vivőket lehetett sávon belül aggregálni, addig a Release 12-ben ezek egyidejű aggregálása is lehetségessé vált.

A TDD és FDD vivők együttes használata tovább növeli az adatsebességet, ám magával vonja a TDD és FDD spektrumok terheltségének felosztását is.

     A D2D (Device to Device) kommunikáció lehetővé teszi, hogy két készülék közvetlen is kommunikálhasson egymással, ezzel is csökkentve a cella terhelését. A D2D négy esetet vázol fel: 

1. Mindkét telefon ugyanabban a cellában van
2. Mindkét telefon a cellán (vagy bármilyen lefedettségi területen) kívül van
3. Egyik telefon a lefödöttségi területen, a másik pedig azon kívül van
4. A telefonok két szomszédos cella közös határánál vannak

Ez egy úgynevezett ProSe (Proximity Service) szolgáltatás, mely feltérképezi a közelben lévő telefonokat és ha kell kapcsolatot teremt velük. Ennek rengeteg felhasználási területe van, például helyi hálózati alkalmazások (játék, chat), automatikus értesítések (pl. hazaérkezéskor a beprogramozott otthoni feladatok állapotáról vagy a bevásárlóközpontba való belépéskor az akciós termékekről), helyi adat-átirányítás, reklámok, vagy akár a lefödöttségmentes területen tartózkodó túrázók életét is megmentheti egy ilyen funkció. A telefonok közti kommunikáció típusa 4 féle lehet: Unicast, Groupcast, Broadcast és Relay. A ProSer eredetileg az állami biztonsági rendszerek támogatására jött létre, melyek a Release 12-től kezdve az LTE-vel szeretnének közreműködni. Az állami biztonsági rendszer is egy vezeték nélküli hálózat, melyet a sürgősségi szolgáltatások használnak (rendőrség, tűzoltóság, katonaság, mentők), de erre kapcsolódnak a térfigyelő kamerák is. Ezek más frekvenciákat használnak és más igényeket szolgálnak mint a mobiltelefonos hálózat. Kezdetben ezek is analóg rádiós hálózatként működtek, külön hálózat volt a rendőrség, külön a tűzoltóság, külön a katonaság és külön a mentők. A szabványosítás sok időt vett igénybe, sokáig a rendőrségen belül is többféle hálózat működött, melyeknek más-más lefedettségük volt. Az NMT vagy GSM mobiltelefonos hálózathoz azért nem csatlakoztak, mert kapacitásuk kevés volt, nem tudtak csoport-hívást kezdeményezni és nem lehetett prioritizálni a szolgáltatásukat. Többnyire a TETRA (Terrestrial Trunked Radio) rádiós hálózatot használták, mert az lehetővé tette a készülékek közvetlen kapcsolatát a bázisállomás lefedettségi területén belül még akkor is ha a hálózat túlterhelt volt. Az állambiztonsági hálózatok története kb. ugyanolyan hosszú mint a mobiltelefonos hálózatoké, ám az LTE a Release 12 kiadással elérte, hogy eleget tegyen az állambiztonsági hálózatok követelményeinek.

      A D2D és a celluláris üzemmód más rádiós erőforrásokat használ. A telefonok közvetlen kapcsolata megnöveli az adatsebességet is, mert az információk nem kell útválasztókon át közlekedjenek. A D2D más frekvenciákat használ mint a celluláris hálózat, hogy a túlterhelt hálózat esetén se okozzon interferenciát a D2D üzemmódra állt telefon. A D2D rádiós interfésze a Bluetooth vagy a Wi-Fi Direct lehet. Emiatt architekturális szempontból a D2D hasonlít az Ad-hoc hálózati struktúrához, azonban a legfontosabb különbség, hogy a D2D vezérlőfelülete (Control Pane) a celluláris hálózathoz tartozik. A központi felügyelő / menedzselő sok problémát megold, amit az Ad-hoc hálózatok képtelenek, például észleli a hálózati réseket, elkerüli az ütközéseket és szinkronban tartja a csoportosított készülékeket. A D2D-t single-hop kommunikációra alkották meg, nem szenved a multi-hop útválasztási problémáktól ahogyan az Ad-hoc hálózatok. A frekvenciasáv használatát illetően 2 féle üzemmód létezhet: sávon belüli és sávon kívüli.

A sávon kívüli ISM sávba tartozik bele a Wi-Fi és a Bluetooth. A sávon belüli üzemmódnak az az előnye, hogy a bázisállomás sokkal jobban felügyelheti a csatornákat. Az ISM sáv kevésbé irányítható, más készülékek is bezavarhatnak, és így nem garantálható az adatminőség sem. A sávon belüli módszernek viszont az a hátránya, hogy nem javítja a cella kapacitást. Másfelől viszont ha a celluláris spektrumon belül külön sávot foglalnak le a D2D számára („egymás melletti” változat), akkor a cella túlterhelése sem fog gondot okozni és a csatornák is irányíthatóak lesznek. Ennek hátránya, hogy csökken a celluláris kommunikációra használt sávszélesség, ami kapacitásveszteséggel jár. A celluláris spektrum további növelése viszont újabb strukturális és logikai módosításokat igényel a telefonban és a hálózatban is.

      Egy másik fontos újítás a 3GPP és a WLAN szabványok rádiós szintű közreműködése. Mivel Wi-Fi/WLAN hálózatok sok helyen jelen vannak, az LTE adatforgalmának egy része átirányítható ezekre. Hasonló a femtocellás megoldáshoz, csakhogy a Wi-Fi routerek nem a mobilszolgáltatóhoz tartoznak, hanem egyszerű publikus készülékek. Ahogy a telefon egy elérhető WLAN hálózatot észlel, azonnal arra irányítja az IP adatforgalmat. Ennek hátránya, hogy a telefon akkor is megpróbál rácsatlakozni ha a WLAN túlterhelt. A WLAN-ban nincsenek prioritizálva az adatcsomagok, így a kapcsolat ideje alatt is túlterhelődhet a hálózat. Emiatt be kell vezetni egy adatforgalom vezérlőt, mely a jelerősséget és az adatsebességet figyelve eldönti, hogy melyik hálózat a jobb választás. Az idegen routerekre való csatlakozáshoz két új eljárásra van szükség a 3GPP szabványban:

1. WLAN hozzáférés, hitelesítés és engedélyezés
2. Külső IP hálózatokhoz való hozzáférés

Ez a kettő technikailag független kell legyen egymástól, bár a második nem teljesülhet az első nélkül. A hitelesítés a WLAN-hoz csatlakozott telefon és a WLAN hálózat között történik WLAN hozzáférési protokollokkal (mely USIM alapú), az IP hozzáférés pedig a WLAN hálózat és a 3GPP hálózat között zajlik egy másik protokollal a telefonon keresztül.

      A celluláris hálózatok kapacitásának növekedését a csatornák közti interferenciák gátolják. A Release 11-ben már tettek néhány lépést ennek csökkentésére az IRC (Interference Rejection Combining) révén. Az IRC a cellák szélein növeli az uplink adatsebességet, ahol a cellák átfedhetik egymást. Esztimálja a többutas csatornák zajait és kovarianciát számol. Miután kiszámította a csatornák közti koherenciát, kivonja az esztimált torzítást és így tisztább adatokhoz jut. A Release 12-ben a NAICS (Network Assisted Interference Cancellation and Suppression) révén orvosolják az interferenciákat. Ez annyiban jobb, hogy az adatforgalom minőségéről szerzett tudást a bázisállomások megosztják a szomszédos bázisállomásokkal és a telefon is értesül a szomszédos paraméterekről.

Release 13 (2016)

      A bejegyzés írásának időpontjában ez a kiadás következik, mely folyamatosan új funkciókkal bővül. A celluláris hálózat spektrumán kívül eső licenc nélküli sávokkal való együttműködést fejlesztették, hogy a Wi-Fi az LTE cellák kiegészítőjeként legyen alkalmazható. A Release 10-ben szabványosított módisítható (aggregálható) vivők számát 5-ről 32-re növelték, ami nem csak az adatsebességet, de a nem-licencelt (LTE-U – LTE Unlicenced) széles sávval való együttműködést is javítja és ezzel a lefödöttség is nő. Hogy a különböző technológiák (Wi-Fi, Bluetooth, 4G, 3G) együtt működhessenek, a Release 13-tól bevezették az MTC (Machine-Type Communication) fogalmat a 3GPP szabványok közé. Az ötlet nem új, vezeték nélküli készülékek egyetlen nagy hálózatra való csatlakozhatóságán már 2G hálózatok megjelenése óta gondolkoznak, azonban mostanra vált a leginkább kivitelezhetővé. A D2D-vel ellentétben (ami HTC – Human Type Communication), az M2M (Machine To Machine) kommunikációban résztvevő készülékek többnyire kis és ritka adatforgalommal kommunikálnak, sokkal egyszerűbbek a telefonnál és sokkal kisebb az energia igényük is. Érzékelőkről, kis adó-vevőkről van szó, melyet biztonsági rendszerekben, navigációkban, egészségügyi rendszerekben vagy más olyan hálózatban használnak, melynek lefödöttségében sok készülék szerepel. Az MTC készülékek az LTE csatornákon kommunikálnak, ami problémát okozhat még kis mennyiségű forgalom esetén is, ha több 100 készülék van ugyanabban a lefedettségi zónában.

      A D2D kommunikáció ebben a Release-ben támogatja az MCPTT (Mission Critical Push-To-Talk) szolgáltatást, amely „one to one” vagy „one to many” hangszolgáltatást tesz lehetővé. A felhasználó kiválaszt egy személyt vagy egy csoportot és megnyomja a „beszéd” gombot a beszélgetéshez, akár egy távbeszélőn. A kapcsolat valós idejű és egy irányú (fél-duplex). Csoportos beszélgetésben is csak egy beszélhet egyszerre, azaz a „beszéd” gomb működése prioritizálva van. Az adó-módban működő készülék egy szervernek küldi a beszédcsomagokat, ami másolatot küld belőlük minden résztvevőnek. Ezt a szervert a GCS (Group Communication Service) szerver részévé szeretnék tenni, amit a Release 12-ben építettek bele az architektúrába és ami ugyanezt a célt szolgálja a kép és az adat csomagok területén. A GCS és a csoport-kommunikáció célja ebben az esetben nem a konferenciák lebonyolítása, hanem egyfajta egyéni műsorszórás, mely lehetővé teszi például a drónkopter kamerájának élő közvetítését az LTE felhasználóknak a hálózaton keresztül. Ebben az esetben a videó valós idejű kell legyen főleg ha az irányítás is a közvetített képet nézve történik és ha valamelyik csoport-tag át akarja venni az irányítást. Az adatkésés kevésbé szigorúbb a földi vagy tenger alatti járművek irányításánál, ezért a 3GPP külön korlátot szabott meg a drón és robot irányítási késéseknek (50ms a légi, 200ms a vízi és 400ms a földi járműveknek). A kamera funkcióinak (közelítés, forgatás, panoráma stb.) is külön késésküszöbjük van. Az MCPTT magába foglalja hálózaton kívüli kommunikációt is, a ProSe funkcióra alapozva (hiszen az MCPTT eszközök felderítése is a Proximity funkcióval történik). Mindez megvalósítása azonban késik, így a Release 13 kiadás is késni fog legfeljebb 2 évet.

      Az eNodeB antenna portjainak számát megnövelték, hogy a nagyobb frekvenciákkal is könnyebben boldoguljon és képes legyen a precízebb nyalábformálásra. A portok vízszintesek, így a nyalábformálás is csak azimutális irányban történhet (a csatornák előkódolási mátrixai is vízszintes lineáris antenna-rácsokra vannak optimizálva). 2D antennarácsot alkalmazva a függőleges irányú nyalábformálás is lehetséges (FD-MIMO – Full Dimension MIMO). Ennek köszönhetően a cellákat nem csak vízszintesen lehet szektorokra bontani, hanem függőlegesen is. Az FD-MIMO a hagyományos lineáris antennarács kiegészítése, ahol több lineáris antennasort helyeznek egymás fölé.

      Az antennák 2D alakzata lehetővé teszi a függőleges és vízszintes térbeli szeparációt. Egy 8x8-as antennarács a bázisállomáson jelentősen megnöveli a spektrális hatékonyságot, hiszen a különböző szinteken tartózkodó felhasználók időrései és alvivői újrahasznosíthatók. Az fázisrács kialakítása a felhasználók fizikai pozíciójától függ. Tömbházak között inkább függőleges, családi házak között inkább vízszintes kialakítást alkalmaznak. Elméletileg minél több antennát alkalmaznak, annál közelebb kerül a nullához bármely két csatorna keresztkorrelációja (annál inkább függetlenek lineárisan). Ezért az interferenciák a downlinkben egyszerű lineáris előkódolással, uplinkben pedig egyszerű kombinálóval iktathatóak ki, melyet a dekódolás előtt alkalmaznak, hogy csökkenjen a SNIR (Signal to interference pulse noise ratio) a multiuser interferenciák esetén. Mindez csak akkor működhet, ha a bázisállomásról tiszta CSI (Channel State Information) érhető el a felhasználók számára, melyeket a referenciajelekben kapnak periodikusan esztimálás céljából. Ezek UE-specifikus downlink referenciajelek, melyek előkódolási súlya ugyanolyan mint az adatjeleké. Így minél több antenna van, annál nagyobb az overhead, így az FD-MIMO egyik fő kihívása, hogy ne növelje az overhead-et miközben megtartja a CSI pontosságát. Egyik megoldás, hogy az FD-MIMO csak akkor működjön, ha a bázisállomás a downlink előkódolásához használhatja a csatorna reciprocitást. Ez azt jelenti, hogy az uplink és downlink csatornák megegyeznek, így az uplink csatorna állapotának esztimált adatai a downlinkben is használhatóak (és fordítva). Ez viszont csak a TDD rendszerben működik, az FDD-ben a két csatorna ha másban nem, frekvenciában mindig különbözik. Igazából a TDD-ben sem lehet teljesen a reciprocitásra hagyatkozni, mert nem észleli a szomszédos cellák downlink interferenciáit, így továbbra is szükség van egy csatorna minőség jelzőre (CQI) a downlinknek. A korábbi LTE kiadásokban ugyanazt a referenciajelet használták a csatorna training-re (esztimálásra) és az adat demodulációra. Ezt a referenciajelet (CRS – Common Reference Signal) 1ms-os periódusokban sugározták. Az LTE-Advanced-ben már két referenciajelet vezettek be: CSI-RS (CSI Reference Signal) és DM-RS (DeModulation RS). Ezeket 5ms periódusokban küldik, de csak a CSI-RS közös minden felhasználó számára. A DM-RS UE specifikus (minden felhasználónak más), ezért ugyanazzal az előkódolási súllyal rendelkezik mint az adatok. Mivel a DM-RS csak az UE idő/frekvencia erőforrásakor van jelen, nem jó CSI mérésekre. Az FD-MIMO alapú rendszer abban különböznek a szimpla LTE-Advanced rendszertől, hogy az CSI-RS referenciajele nyalábformálással irányítva van. A nyalábformált referenciajel sugárzási iránya az előkódolási súlyokkal változik (melyek különböznek az adatokhoz használt súlyoktól).

      Az FD-MIMO a nayalábformálást aktív antennákkal végzi. A nyereséget és a fázist aktív komponensek vezérlik, mint a teljesítményerősítő és az alacsony zajú jelerősítő, amit TXRU-nak (Transceiver Unit) neveznek. Ezzel a nyaláb irányát függőleges és vízszintes irányban is mozgatni lehet, amit 3D nyalábformálásnak hívnak. A TXRU architektúra 3 komponensből áll: TXRU-tömb, antennarács, és RDN (Radio Distribution Network). Ezek közül az RDN feladata, hogy elküldje a jelet a teljesítményerősítőtől az antennákig és az antennákkal fogott jeleket az alacsony zajú jelerősítőhöz. A CSI-RS stratégiájától függően két reprezentatív opció lehetséges:

• Particionált antennarács
• Összekapcsolt antennarács

A particionált változatban a rács csoportokra oszlik és minden csoportot egy TXRU vezérel. Az összekapcsolt változatban minden TXRU jele eljut mindenik antennához. Ehhez külön szükséges egy-egy összegző minden antennához. Minden TXRU-hoz más, egymásra ortogonális CSI-RS referenciajel tartozik. A particionált változat nem használ előkódolást, az összekapcsolt viszont használ, így két küldési stratégiát határoztak meg a CSI-RS referenciajel elküldésére. Az elsőben az UE észleli a partíciókból érkező előkódolatlan CSI-RS jeleket és kiválaszt nekik egy előkódolási sémát. A második stratégiában a bázisállomás előkódolt (nyalábformált) CSI-RS jeleket küld az összekapcsolt antennarácsból az UE-nek, ami kiválasztja a legerősebbet és visszaküldi a nyalábindexet. A bázisállomás az indexhez tartozó súlyokkal fogja az adatokat kódolni.

      A 3D nyalábformálás a csatorna modellben is tükröződik, ugyanis bevezette a 3D csatorna terjedési modellt. A particionált TXRU architektúrában a CSI visszajelző üzenethez a Kronecker-szorzatot használják. Elméletileg az UE és az eNodeB közti 3D csatorna iránya a függőleges és vízszintes csatornák irányának Kronecker szorzatából számítható ki.

      A hagyományos ortogonális többszörös hozzáférés (OMA) az időréseket (TDMA), frekvenciákat (FDMA), kódokat (CDMA) vagy információblokkokat (OFDMA) foglalja le a felhasználók számára az interferenciák csökkentése érdekében. Ezzel ellentétben a nem-ortogonális többszörös hozzáférés (NOMA) ugyanazokkal a rádiós erőforrásokkal ad és vesz egyszerre. A Release 13-ban bevezették ezt a hozzáférési technológiát és azon dolgoznak, miként lehetne ez jobb az OMA-nál. A bázisállomás fázisrácsának iránykarakterisztikája térben elválasztott adatfolyamokat tesz lehetővé. Ez azt is jelenti, hogy az adatfolyamra nem jogosult felhasználók felé közel nulla teljesítménnyel sugároz, így azt nem is zavarja a másik jele.

4G hálózatok:

• LTE (Long Time Evolution)
• WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)

      A vezeték-nélküli digitális adathálózatok még az 1990-es évek elején indultak. Akkoriban a 2G által nyújtott GPRS sebessége távol állt a vezetékes internetsebességtől, így nagy figyelmet fordítottak más megoldások fejlesztésére is. Így született meg például az LMDS (Local Multipoint Distribution Service), ami a televíziós csatornák digitalizációjának következménye. Egy LMDS torony 26-32GHz között sugározta a TV műsorokat 2-3km-es lefedettséggel. Ugyanezt a célt szolgálta az MMDS (Multichannel MDS), csak alacsonyabb frekvenciákon (2.5-2.7GHz). A frekvenciasávot 33 darab 6MHz-es csatornára osztották, melyekben nem csak TV, hanem rádió és internet adatforgalmat is multiplexeltek. Az adatsebesség 30Mbps volt 64-QAM modulációval és 40Mbps 256-QAM modulációval. Ezek a technológiák közvetlen rálátást igényeltek az adó és vevő között (LoS – Line of Sight). Az évszázad végére az interoperabilitás hiánya miatt mindkettőt szabványosították mint IEEE 802.16-os szabványt. Mivel az LMDS frekvenciái távol álltak a WLAN (Wireless Local Area Network, 802.11) technológia frekvenciáitól és sok megszorítással rendelkeztek, ezért inkább az MMDS-t fejlesztették tovább. A szabvány neve WirelessMAN, melynek első alacsony frekvenciás változata a 802.16d.

      A WiMAX tulajdonképpen egy vezetéknélküli kommunikációs szabványnak a neve akár a Wi-Fi (Wireless Fidelity), melyet kezdetben 30-40Mbps-re terveztek, később 1Gbps és nagyobb átviteli sebességre lett képes. A WiMAX fórum alkotta meg, mely 2001-ben alapult azzal a céllal, hogy támogassa a 802.16 szabványt. Ez az 1999-es Wi-Fi Alliance fórum mintájára jött létre, mely a 802-11-es szabványt támogatta amit később el is neveztek róla. A legelső mobil WiMAX rendszer a 802.16e, aminek másik neve WiMAX Release 1. Ez SOFDMA (Scalable OFDMA) modulációs technológiát használt, mely 2000 alvivőt, optimizált handovert és emelt szintű biztonságot nyújtott, amely 40Mbps sebességre volt képes. Az 1Gbps-os adatsebességet az m verzióban érték el (WiMAX Release 2), ami már MIMO technológiát és CA-t használt. Ez a sebesség csak alacsony mobilitásnál lehetséges (pl. gyaloglás közben), autóban vagy más gyorsabb mozgású járműben legfeljebb 300Mbps érhető el. A WiMAX cella lefedettsége 50km is lehet.

      Mi köze a WiMAX-nak a 4G mobiltelefonos hálózathoz? Az IP tehcnológia az ami összeköti. Mivel vezeték nélküli, OFDM alapú és támogatja a MIMO technológiát ezért nagyon hasonlít az LTE-hez. A nagy adatsebesség, a biztonsági eljárások és handover kezelése lehetővé teszi, hogy az IP alapú hang-szolgáltatás úgy működjön vele akár az LTE-ben. Természetesen van pár különbség is, ami hátrányokat és előnyöket foglalhat magába. A különbségek abból adódnak, hogy a WiMAX az IEEE szabványt, az LTE a 3GPP szabványt használja. Példák:

• A WiMAX más sávszélességet használ (40MHz) mint az LTE (1.4-100MHz).
• A WiMAX up- és downlinknek is SOFDMA modulációt használ, míg az LTE a SC-FDMA (uplink) és az OFDMA (downlink) modulációkat használja
• Az LTE keretje 10ms míg a WiMAX-é 5ms
• Az LTE 450km/óra sebességet is elvisel, míg a WiMAX csak 120km/órát
• Az LTE lehetővé teszi a régebbi generációkkal (2G és 3G) való együttműködést, míg a WiMAX-nál ez lehetetlen
• A WiMAX hálózat kiépítése olcsóbb mint az LTE hálózaté

A WiMAX mégsem annyira sikeres mint az LTE, bár mindig jóval előrébb járt. A WiMAX nélkül az LTE nem tarthatna ott ahol most van. Túl hamar próbált a telefonos piacra betörni miközben nem volt kompatibilis a korábbi telefonos generációkkal. Úgy is mondható, hogy túl későn tört be a piacra, mert már az LTE a láthatáron volt. Ez üzleti szempontból sokkal nagyobb hátrány mint ahogyan hangzik, mert az emberek inkább kivárták az LTE megjelenését, amely működött a korábbi generációkkal is. Tulajdonképpen a WiMAX-ot már az 802.16d verzióban piacra dobhatták volna és menet közben fejlesszék tovább és akkor nem kellett volna végig nézni, ahogy az LTE a HSPA technológiáját fejleszti. A WiMAX eleinte FDD-vel és TDD-vel is működött. Később kivették az FDD-t, mert túlságosan elkomplikálta az adás-vételt és csökkentette a spektrális hatékonyságot de teljesen kizárta a korábbi generációkkal való együttműködést is.

 5. Generáció (5G): 2020 (digitális, 2-30 GHz, 1-20Gbps, Internet of Things)

Release 14

      A 3GPP specifikációiban rengeteg minden szerepel, amit az elkövetkező generációkban szeretnének megvalósítani. Ilyen például a járművek közti kommunikáció a mobilhálózaton keresztül. Ez a ProSe technológiára épül és több módon történhet:

• V2V (Vechile to Vechile): a járművek közti kommunikáció. Például a megkülönböztető jelzésű vagy balesetet szenvedett autók figyelmeztethetik jelenlétükről a közeledő járműveket. Az autók tájékoztathatják egymást a kátyúkról, út menti torlaszokról, síkos útszakaszokról vagy egyéb útviszonyokról, valamint az időjárási viszonyokról és a sebességmérő radarokról.
• V2P (Vechile to Person): a jármű és személy (pl. sofőr, gyalogos, biciklis) közötti kommunikáció.
• V2I (Vechile to Infrastructure): a jármű és az út menti forgalmi készülékek, valamint a mobilhálózattal (V2I*) közti kommunikáció. Például a szemafor állapotát már távolról lekérdezheti a jármű, vagy értesítést kaphat útjavításokról, úttorlaszokról, forgalmi torlódásokról.

Ezek együttesét V2X (Vechile to everything) technológiának nevezik és még nem is teljes a lista. A V2X ötlete már több mint 10 éves, de még mindig nem áll készen a megvalósításhoz. Eredetileg külön hálózatnak indult, ám az LTE mostanra képes lenne magába foglalni, mert elég nagy, gyors, nagy kapacitású és képes a D2D-re, valamint egyre több készülékben szerepel. Sok felesleges adatközlést megspórol a V2X, ha az LTE bázisállomásait használja az információk ideiglenes tárolására, amit az akár több járműnek is továbbíthat egyszerre. A járművek alatt nem csak személygépkocsikat, hanem drónokat, folyami hajókat is értünk. A tervek szerint az 5.9GHz-es licencmentes sávot fogja használni (LTE-U), akár egyes Wi-Fi hálózatok. Az LTE-U működése arról szól, hogy az elsődleges és másodlagos cellák közti aggregáció során az elsődleges cella a licencelt frekvenciatartományban működik, hogy a kritikus információk célba jussanak és megmaradjon a szolgáltatás minősége (QoS), a másodlagos cella pedig a nem-licencelt frekvencia tartományban működik, hogy növelje az adatsebességet és tehermentesítse a cellát. A Release 13-ban ez downlink irányában már megvalósult, a Release 14 az uplinket vette célba, és ezzel együtt a lincenc-mentes tartomány 6GHz fölötti részét. A bejegyzés írásakor (2016) a 4G az aktuális technológia, az 5G-nek még csak az előkészületei zajlanak.

További célkitűzések:

• MBSP (Multimedia Broadcast Supplement for Public Warning System): interfész a katasztrófavédelmi nyilvános figyelmeztető rendszerekhez, riasztókhoz.
• User Control over spoofed calls: hamis hívásnak számít, ha a hívott fél kijelzőjén hamis szám jelenik meg. A digitális technológiának és a VoIP-nek köszönhetően egyszerűvé vált a számok hamisítása. Akár az e-mail esetén, ahol kiválasztható, hogy milyen címről küldünk, a hívás esetén is kiválasztható, hogy milyen számról hívjunk. Az hívás-azonosító hamisítására ma már sok szolgáltatás létezik, ahol például elő kell fizetni bizonyos percet a hamis hívásra, majd egy web oldalon meg kell adni a saját számot, a hívandó számot és a hamis számot. Emellett a Google Play-en többféle „Caller ID Faker” alkalmazás tölthető le. A Release 14-ben az ilyen hívások észlelését és kiszűrését vették célba.
• LBS (LTE Location Based Services): az LTE-re kapcsolódó eszközök pozíciójának pontos meghatározása
• Mission Critical services: az MCPTT mellett bevezetik a „Mission Critical Video over LTE”, a „Mission Critical Voice over LTE” szolgáltatást is, melyek kritikus, azaz magas prioritással ruházzák fel a kép- illetve hangüzeneteket.
• S8HR (S8 Home Routing): LTE interfész az otthoni és a látogatott hálózat között.
• Emergency services over WLAN: IP alapú sürgősségi hívások lebonyolítása a hívásazonosítás megkerülésével.
•  SRVCC (Single Radio Voice Call Continuity): a Voice over LTE és a régi áramkörkapcsolású rendszert is használó generációkkal (GSM, UMTS) való együttműködési szint, séma. Az SVRCC biztosítja, hogy a felhasználók problémamentesen és az eredeti QoS-el léphetnek át az LTE cellából a GSM cellába, valamint a sürgősségi hívások is lebonyolíthatók. Az SRVCC koncepcióját még a Release 8-ban bevezették és folyamatosan javítottak rajta a változó rendszerkövetelmények alapján.
• IoT (Internet of Things): egy M2M alapú technológia, ami kommunikációt biztosít az internetre csatlakoztatható gépek között. Többnyire a háztartási eszközökre (hűtő, mosógép, riasztó, fogyasztás-számláló stb.) és forgalmi funkciókra (parkolóhely kereső, baleset/úttorlasz/dugó előrejelző stb.) vonatkozik, de az iparban is számos helyen alkalmazzák. Mivel az LTE is IP alapú, így beléphet és növelheti / javíthatja a netes tárgyak kapcsolatát.

A generációk és a kiadások fejlődésekor egyre inkább szoftver fejlesztések történnek mintsem fizikai változások. A szoftverek változó gépigénye amúgy sem követel olyan hatalmas hardveres változásokat, mint ami az 1G-2G vagy a 3G-4G átvláltásakor történt. A szabványosításnak köszönhetően egyre több eszköz képes a mobiltelefonos hálózattal kommunikálni, így az architektúra alakja is egyre inkább felhős szerkezetű lesz, ami átláthatóbbá teszi.

Az architektúra befogadóképes kell legyen a még nem létező funkciók számára is, így az EPC maghálózat és a szolgáltatások felhője teljes mértékben virtualizált környezet kell legyen. A virtualizálás a végrehajtó és az automatizáló szoftver-rétegeket foglalja magába. A végrehajtó réteg olyan erőforrásokat összesít, mint a számítástechnikai berendezések, hálózati szerkezetek és adattároló szerverek. Az automatizáló réteg lehetővé teszi a végrehajtó réteg automatizált menedzselését, mint például a hálózati szolgáltatások hozzáadása és törlése, méretezése és a szükséges erőforrások lefoglalása. A felhő-struktúra magával vonja a felhő alapú számítástechnikai módszereket is, így a nagy gyorsaságú és számításigényű alkalmazások igénybe vehetik a közelükben lévő eszközök processzorait, miközben a milliméteres hullámhosszon kommunikálnak velük.

Ami a  hardveres változásokat illeti, az 5G akkor válhat le a 4G architektúrájáról (kezdetben ugyanis ezt használja adattovábbításra) amikor a számítási kapacitások áthelyeződnek a hálózat szélére, vagyis a központi vezérlő helyett a rádiótornyok végzik majd a számítások nagy részét (Edge Computing), csökkentve ezzel az adatmennyiséget, amit a tornyoknak továbbítaniuk kell. Ez megkönnyíti az 5G hálózatok telepítését olyan helyeken, ahol egyébként nincs lefedettség.

Az 5G-nek és az azt követő generációknak szánt frekvenciák emelkedése egészségügyi aggodalmakat szült. Az ultraibolya tartományig (pár 100THz) az elektromágneses sugárzás viszont nem ionizál, ezért a sejtekben nem okoz károsodást, legfeljebb melegít őket, akár napfény. Emellett a rádiótornyok sugárzási teljesítménye nagyon csekély a Naphoz képest (főleg a nagyvárosokban, ahol több kis lefedettségű cellákat alkalmaznak), de akár egy mikrohullámú sütőhöz képest is, ami a szolgáltató sávjában üzemel (2.45GHz). A maximális megengedett energiasűrűség 1mW/cm2, 300GHz-ig. Ettől függetlenül, a hosszútávú hatások nem ismertek, és a WHO folyamatosan kutatja ezt a területet, hisz nem csak a telefon  lesz az, amit a közvetlen közelünkben tartunk és az 5G-re csatlakozik. A celluláris hálózatok ugyanis már a 4G-től számítva sokkal jobban kiszolgálják a kis helyen zsúfolódó eszközöket, mint a haogyományos Wi-Fi routerek, mert míg a Wi-Fi "best effort" szolgáltatása nem garantálja a csatornáira csatlakozott eszközök kiszolgálását, addig a celluláris hálózat részletes szolgáltatási konfigurációt kínál minden egyes eszköznek és nem veszíti el a kapcsolatot velük.

Közeljövő

6. Generáció (6G): 2030 (digitális, THz, 10-100Gbs, Wireless of Things )

    Az internetes eszközök számának növekedésével és fejlődésével mindig újítani kell a hálózat architektúráján és a szolgáltatások minőségén. 

• egyre több olyan szenzort viselünk, illetve vesz minket körül, melyek kapcsolatban állnak bizonyos felhő szolgáltatásokkal
• egyre több eszköz lesz távvezérlésű. Előbb-utóbb használatba kerülhetnek olyan eszközök, melyeknél nem elegendő a vizuális és audió információk valsósidejű továbbítására, hanem továbbítani kell szag, íz, illetve tapintási adatokat is.
• a rengeteg eszköz menedzselése szükségessé teheti a mesterséges intelligencia bevezetését, amitől a hálózat a különböző változásokra autonóm módon reagálhat.
• teret hódítanak az olyan nagy adatsebességet igénylő eszközök, mint a virtuális valóság illetve a holografikus megjelenítők.

A magas frekvencia (pár száz GHz) alkalmazása és az antennák sűrű elhelyezése lehetővé teszi, hogy a tárgyakról visszaverődő hullámok fázisából vagy késéséből a környezet letapogathatóvá váljék. Ez rengeteg új lehetőséget nyit, előre nem látható fizikai akadályokról, elmozdulásokról tájékoztathatja a felhasználót. A lefedettségi terület tehát olyan lesz, mint egy THz-es átvilágító, az anyagok minősége is azonosíthatóvá válik, ami pl. jó lehet a levegő minőségének ellenőrzésében, de ugyanakkor fokozhatja az egészségügyi aggodalmakat és a személyi jogokat is sértheti. A magas frekvencia bevezetése megnehezíti az eszközök rálátását a bázisállomásra, mert ezek a rádióhullámok már nem hatolnak át a falakon, visszaverődnek róluk. Olyan intelligens metafelületek jöhetnek szóba, melyek az eszköz irányába verik vissza a hullámokat. Ezek felvihetőek kell legyenek épületekre, járművekre vagy akár a ruházatra is.

      Az elképzelések szerint a hatodik generáció infrastruktúrája magába foglalja majd a műholdas hálózatot is. A műholdas mobilkommunikáció nem újdonság, már az első generációs hálózatok idején létezett műholdas mobilszolgáltatás mint különálló rendszer. Ez azt jelentette, hogy külön telefont kellett venni, ha a műholdas hálózatra volt szükség (az olyan helyeken ahol nem volt más lefedettség). Máig sem változott sokat a technológia, legfeljebb annyit, hogy telefon helyett elegendő műholdas HotSpot-ot vásárolni, amellyel a saját okos telefonunk is kommunikálhat (bluetoothon vagy WiFin keresztül) és az internet hozzáférés is adott minimális sebességgel. A szolgáltatás használati díját a műholdas szolgáltatónak kell fizetni. A szolgáltatók, mint például a GlobalStar, Inmarsat, Iridium, OrbComm, Teledisc stb. alacsony pályájú (LEO) műholdakat használnak, melyek kapcsolatban állnak a celluláris mobilhálózatokkal, a fix hálózatokkal és az internettel. Az műholdas jelek elérhetőségének növelése érdekében multikonstellációs kombinációkat használnak a saját műholdjaikkal és a GLONASS (Orosz), GPS (Amerikai), Galileo (Európai), COMPASS, BeiDou (Kínai) stb. navigációs rendszerekkel.

A műholdas telefonálás kezdetben sokkal elterjedtebb volt mint ma, mert az 1G és 2G celluláris hálózatok csak regionális szinten működtek, így például a kontinenseket átszelő üzletemberek nem használhatták az otthon vásárolt mobiltelefonjukat, mert a helyi celluláris szabvány különbözött. A több hálózattal közreműködni képes telefonok helyett inkább roamingolni képes SIM kártyák lettek a nyerők, mellyel háttérbe szorultak az egyébként is költséges műholdas szolgáltatások.

      A legelső műholdas szolgáltatás az Iridium volt, mely 66 műholdat használt (6 műholdpálya és mindegyiken 11 műhold), melyeknek mindegyike 48 cellát (vagy nyalábot) vetített a Földre. A cellák 12-es klaszterekre voltak osztva, így minden műhold 4 alkalommal tudta újrahasznosítani a frekvenciákat, melyek sávszélessége 5.15MHz. A csatornák szélessége ezen belül 31.5kHz, a csatornák közti távolság pedig 41.67kHz, mely összesen 124 vivőfrekvenciát jelent. Minden Irdium vivő 4 duplex csatornát tartalmaz, azaz az uplink és a downlink is ugyanazon a vivőn működik. A TDMA keretek utolsó 90 milliszekunduma egy paging és egy kontroll időréssel kezdődik, majd 4 uplink és 3 downlink időrés követi. Az Iridium műhold meglehetősen komplex, ugyanis a jelek közvetett kapcsolatokon át közlekednek, azaz mindenik műhold kapcsolatban áll az előtte és az utána lévő műholddal, valamint a szomszédos pályán lévő legközelebbi műholddal is. Ez csökkenti a Földön telepítendő műholdállomások számát, hiszen a jel az űrben hosszú távokat tehet meg míg visszatérne a Földre, ami jól jön például az óceánok alapos lefödöttségének biztosításához műholdállomások nélkül. Ez azonban meglehetősen komplex megoldás, mert a távolságok és a műholdak relatív irányai folyamatosan változnak.

      A Globalstar ezzel szemben 48 műholdat használ 8 műholdpályán, melyeknek mindegyike 16 cellára van osztva és a sávszélesség 1.25MHz. Nincs műholdközi kommunikáció, így a lefedettség is kisebb és sokkal több földi műholdállomás szükséges. Az előnye, hogy sokkal egyszerűbb és olcsóbb műholdak használata is elegendő a rendszer működéséhez.

      Az Iridium (ami mára már nem működik) és a Globalstar más-más működési elvet követ: az Iridium komplex űrszegmenssel és egyszerű Földszegmenssel rendelkezik, míg a Globalstar egyszerű űrszegmenssel és bonyolult Földszegmenssel. Mindkettőnek megvannak az előnyei és hátrányai. Az Iridium komplex űrszegmense kockázatos, mert ha valami tönkremegy nehéz felmenni és megjavítani. A Globalstar műholdjai csak jelismétlőként működnek melyek továbbítják a telefonról a jelet a műholdállomásra és vissza, azonban a műholdállomások is meglehetősen komplexek kell legyenek és sokszor lehetetlen helyekre kell őket felépíteni.

      Vannak közepes (MEO) műholdpályájú rendszerek is, mint az ICO (Intermediate Circular Orbit), mely csupán 10 (+2 tartalék) műholdat használ 2 pályán. A kevés műhold 12 földi állomást igényel. Nincs műholdközi kommunikáció, hanem közvetlenül a műholdállomással vannak kapcsolatban. Mindenik műhold 163 cellára oszlik.

      Első ízben az harmadik generációs UMTS próbálta beépíteni a műholdas hálózatot a telefonos maghálózatba (USRAN – UMTS Satellite Radio Access Network), mint tartalék opció a földi UTRAN hálózat számára, amikor az túlterhelt vagy nem elérhető. Két lehetséges architekturális megoldás jött szóba:

• A műhold, mint eNodeB: a műhold kapcsolatot teremt a telefon és az RNC között, mely a telefon hatókörén kívül esik. Ez azt jelenti, hogy a műholdnak támogatnia kell a földi UMTS bázisállomások rádiós funkcióit, mint a moduláció, demoduláció, rake-vevő, kódolás, stb. A telefon és a műhold közti kommunikáció az SW-CDMA (Satellite Wideband CDMA), mely az FDD üzemmódban működik 2.5 vagy 5MHz-es széles csatornákkal mindkét irányban. Ez áll a legközelebb az UTRAN-ban alkalmazott WCDMA-val. A műholdas jelek sajátosságai további hibaészlelési és javítási eljárások szükségesek a telefon és a műhold, valamint a műhold és az RNC között.
• A műhold, mint eNodeB és RNC: a műhold RAN-ként fog működni, azaz ott zajlik majd a mobilitás, hitelesítés, hívásvezérlés stb. Egyszerre kell biztosítsa a fizikai, MAC, RLC, RRC és CC rétegek funkcióit.

Látható, hogy ez a két megoldás közti eltérés nagyban hasonlít az Irdium és Globalstar közti különbségekre, azaz egyik az űrbe, másik a Földre kívánja a komplex funkciókat helyezni. Egyes specifikációk szerint az USRAN műholdaknak mindkét esetben kommunikálniuk kell egymással.

      A műholdak cellái jóval nagyobbak (több 100 km) mint a földi celluláris hálózatoké (pár km) és emellett mozognak is, így a handover többnyire a műhold mozgása miatt történhet. A celluláris hálózatok a celláknak vagy cellacsoportoknak egy egyedi LA-t (Location Area) tulajdonítanak. Amikor a mobiltelefon új LA-ba lép, közli a hálózattal a régi cella LA-ját is. Ezt a hálózat eltárolja, hogy tudja merre keresse a telefont ha hívás érkezik (paging). A műholdak viszont mozognak a Földhöz képest, így azok cellái is, ami azt jelenti, hogy nem jó ötlet a cellákhoz kötni a földrajzi pozíciót. Különösen a LEO műholdak esetén, a telefon szinte percenként kéne cellát váltson még ha egy helyben állna is. Nyilván nem nehéz ezt kiküszöbölni a navigációs adatokat felhasználva, azonban a sok jelzőinformáció hamar megtöltené a hálózatot. Ehelyett a navigációs adatokat közvetlenül lehetne pozíciómeghatározásra használni és a koordinátacsoportok jelenthetnék az LA-t. Ennyire pontos információ azonban nem szükséges, hiszen a műholdas cellák nagyok, a paging üzenetek pedig amúgy is a teljes cella területén elérhetőek. Elegendő tehát csak bizonyos időközönként lekérdezni a pozíciót, és ha túl nagy az eltérés a korábbi pozícióhoz képest, csak akkor értesíteni a mobilhálózatot.

     

      A geostacionárius pályájú (GEO) műholdak használata előnyösebbnek hangzik, ám ezek vannak a legtávolabb a Földtől, így nekük van a legnagyobb jelveszteségük. A távolság a késést is jelentősen megnöveli, és mivel csak az egyenlítő mentén találhatók, megnehezíti az északi és déli sarkak lefödöttségét. Ennek ellenére a műholdas TV, rádió, internet és a fix telefonos szolgáltatás is GEO műholdakat használ. Ezekhez fix pozíciójú és irányított (parabolikus reflektorú) antennák szükségesek. A műsorszóró szolgáltatásoknál nem érezhető különbség a földi és a műholdas közvetítés között, ám a telefon és az internet esetén jelentős késéssel kell kompromisszumot kötni az uplink és downlink csatornákon. Az alacsonyabb pályás műholdak (LEO, MEO) a minimális késés mellett azért is jobbak, mert kevésbé irányított antennákkal is működnek.

      A műholdas átvitellel (backhaul) rendelkező hibrid 4G mobilhálózatok megalkotását első sorban a sürgősségi szituációk motiválják. A mozgó vagy ideiglenes cellák kezelését a SON (Self Optimizing/Organizing Network) technika teszi lehetővé. Bár több megoldás helyet kapott a műholdas backhaul struktúráját illetően, a műholdas kapcsolat mindenképp negatív hatással lesz az EPC maghálózatra. Az LTE a maghálózatát úgy kezeli mint nagy sebességű hálózatot és a késések miatt csakis a rádiós interfészeket okolja, azaz ott keresi a hibát és ott próbál korrekciókat végrehajtani. Mivel a műholdak az S1 interfészen kapcsolódhatnak az EPC-hez, akár egy eNodeB, az LTE maximális sebességet fog ezen feltételezni, holott ez egy folyamatosan mozgó Föld-műhold közti kapcsolat. Az LTE hálózatot tehát 2 részre kell osztani, egy műholdas és egy földi komponensre. A földi komponensben az eNodeB bázisállomásokat kell módosítani, hogy közreműködjenek a műholdakkal hozzáférést adva az MME és az SGW földi komponenseknek. Ez viszont a korábban említett pozíció menedzsment problémákat meríti fel, hisz a műhold a mozgása révén folyton más bázisállomással kerül kapcsolatba. Ennek orvoslására a műhold backhaul-nak dedikált komponensekre van szükség: Sat-MME (Satellite MME) és Sat-SGW (Satellite SGW), melyek optimizálják az S1 interfész mechanizmusát és protokolljait akár egy új műholdas TA (Tracking Area) eljárás.

Ez az architektúra magával vonja a műholdak közti handover és a két LTE komponens közti handover kivitelezését is. A műholdak és a földi bázisállomások között nincs X2 interfész, így az S1 handover az SGW és az MME átkapcsolásakor történik.

      A hálózati oldal tervezése során figyelembe kell venni a mobilkészülék paramétereit is. A műholdas telefonok általában nagyok és kevesebb funkcióval bírnak mint a mostani okos telefonok. Mindkét jellemző az akkumulátor élettartamát hivatott hosszabbítani, de ehhez a hálózat típusa is hozzájárul. A LEO műholdpályás hálózat kisebb távolsága révén nyilván hosszabb élettartamot biztosít (30 óra készenléti idő vagy 3 óra beszédidő) mint a GEO hálózat. Emellett a telefon helyzete is számít. Ahogyan a földi hálózatban a térerőt kereső mobiltelefon hamarább lemerül, úgy a műholdas telefon is nagyobb erőfeszítést tesz a műholdjelek keresése közben. A különbség, hogy míg a mobiltelefon OFDMA modulációs technikája és más vezeték-nélküli hálózatokkal való együttműködése lehetővé teszi, hogy beltéri helységekben is működjön, addig a műholdas telefon közvetlen kapcsolatban kell legyen az éggel, hogy a teljes rálátás a műholddal kialakulhasson.

      A 6G-ben bevezetett műholdas mobilhálózat kisebb-nagyobb problémáit a hetedik generáció (7G) fogja orvosolni. A 7G már rugalmasan és megbízhatóan fogja a műholdas funkciókat kezelni.