BME VIK - Fejlett mobil- és vezetéknélküli hálózatok

3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Bokor László,

A tantárgy tanszéki weboldala www.hit.bme.hu

4. A tantárgy előadója Dr. Bokor László (egyetemi docens, BME HIT)

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít Infokommunikáció, Hírközléselmélet

6. Előtanulmányi rend

Kötelező:

NEM
(TárgyEredmény( "BMEVIHIMA07", "jegy" , _ ) >= 2
VAGY
TárgyEredmény("BMEVIHIMA07", "FELVETEL", AktualisFelev()) > 0)

A fenti forma a Neptun sajátja, ezen technikai okokból nem változtattunk.

A kötelező előtanulmányi rend az adott szak honlapján és képzési programjában található.

7. A tantárgy célkitűzése A tárgy célja, hogy mélységében mutassa be a hallgatóknak a mobil és vezeték nélküli kommunikáció legújabb hálózati technológiáit, és komplex, a teljes architektúrára vonatkozó ismeretanyagot adjon át minden vonatkozó technológiacsalád esetén. Az előtanulmányokhoz illeszkedő bevezetés és egy megfelelően pozícionált evolúciós/történeti visszatekintés után a legfontosabb felhasználási eseteken keresztül közelítjük meg az elérhető megoldásokat. Ennek érdekében bemutatjuk többek között az ipar 4.0, a különböző küldetéskritikus forgatókönyvek, a kooperatív intelligens közlekedési rendszerek szolgáltatásai és az erőforrás-kritikus alkalmazások által körülírható hálózathasználati specifikumokat, és segítségükkel definiáljuk a támogató hálózati környezetekre vonatkozó követelményrendszereket. Az új felhasználási esetek és követelmények mentén először az IEEE 802.11 fejlett technológiáinak (11ac, 11ah, 11af, 11r, 11p, 11bd...), majd a 60GHz-es, milliméter hullámhosszú, multi-gigabit vezetéknélküli hálózatoknak (WiGig, WiHD) a részletezése következik. A mobil celluláris infrastruktúrák 4G és 5G képviselőinek a bemutatása a következő modul, melyben a hangsúly az 5G NR szabványokon, a legújabb spektrumhasználati technológiákon (pl. 3D beamforming, DAS, LAA), az energiahatékony megközelítéseken (DTX, antenna muting), az alkalmazás-specifikus fejlesztéseken (IoT, streaming, V2X), és az 5G maghálózat technológiáin (SDN, NFV, slicing, MEC, stb.) van, kitekintéssel a 6G irányaira. A járműkommunikációs ad-hoc hálózatok (VANET) rendszereire rátérve az alapvető architekturális megfontolásokkal alapozunk meg a jelenleg legelterjedtebb szabványos megoldások (ITS-G5/DSRC, WAVE) ismertetésének, kitérve a 4G és 5G celluláris V2X, valamint a hibrid V2X kommunikáció sajátosságaira, végül az IP és V2X világ jelenlegi viszonyára (IPWAVE és kérdései). Utolsó modulként az IoT speciális technológiáinak a bemutatása következik, szintén a teljes protokoll rétegszerkezet és vonatkozó komplett architektúrák jellemzésével, az alkalmazási rétegtől a rádiós megoldásokig (pl. MQTT, CoAP, 6LowPAN, 6Lo, RPL, CARP, ZigBee, LoRa, Sigfox, NB-IoT), megfelelően szelektált protokoll-ismertetők és a 802.11 valamint a mobil celluláris rendszerekre való hatékony visszautalások/kiegészítések segítségével.

8. A tantárgy részletes tematikája     Bevezetés

Motivációk, használati esetek (ipari hálózatok, intelligens közlekedés, logisztika, küldetés- és erőforrás-kritikus forgatókönyvek, követelmények, a technológiák csoportosítási módszerei, a kurzus során érintett területek felosztása, történet visszatekintés (miért „fejlett”), trendek (hype görbék, Global Mobile Data Forecast).

    A mobil és vezeték nélküli kommunikáció alapelvei

Alapvető hálózati elvek (áramkör- és csomagkapcsolás, réteges architektúra, TCP/IP és ITS stack, cross-layer optimalizálás szerepe, rádiós alapok, mobil vs. vezeték nélküli), a vezeték nélküli és vezetékes hálózatokat megkülönböztető legfontosabb kérdések összefoglalása (mobilitás, hívásátadás, konnektivitás).

    Feltörekvő Wi-Fi technológiák

Wi-Fi alapok (funkciók, phy, mac, architektúra), komponensek (AP, WLC, access / trunk portok), topológiák, SSID, AP módok, legacy Wi-Fi szabványok (802.11a/b/g/n/ac), Wi-Fi technológiák evolúciója, feltörekvő technológiák részletezése (802.11ac/ax/ah/af/r).

    60 GHz multi-gigabit Wi-Fi hálózatok

60 GHz-es milliméter hullámhosszon működő multi-gigabit vezeték nélküli hálózatok alapjai (frekvenciakiosztás, teljesítménykorlátok, előnyök/hátrányok, alkalmazási területek), 60 GHz-et célzó vezeték nélküli szabványok, WiGig (802.11ad és 802.11ay), WiHD/WirelessHD/UltraGig (PHY /HRP, MRP, LRP/, OFDM specifikumok, MAC).

    5G hálózati alapelvek és architektúra

Mobil celluláris hálózatok evolúciója (generációk összehasonlítása), az 5G hálózati architektúra alapelvei, 5G definíció és képességek, 3GPP/ITU-R idővonal, 5G vertikumok, általános alkalmazási területek és követelmények (eMBB, URLLC, mMTC), alkalmazás-specifikus fejlesztések bevezetése (IoT, streaming, V2X), 5G spektrum, a szolgáltatás-alapú architektúra elve, 5G hálózati architektúra opciók (NSA, SA) és funkcionális építőelemek, 5G FMC és FWA architektúrák.

    5G rádiós hozzáférési technológiák

A skálázható OFDM alapjai, 5G többszörös hozzáférési technológiák, az NR szabvány és fejlődése (rel 15/16/17), keretstruktúra, massive MIMO, új spektrumhasználati módszerek (3D beamforming, DAS, LAA), energiahatékony megoldások (DTX, antenna muting).

    5G maghálózati technológiák

CapEx/OpEx csökkentés és egyéb motivációk, az 5G hálózatokban használt virtualizációs megoldások alapjai, és telco specifikumok (telco cloud/edge cloud, SDN, NFV /VNF, CNF/, MEC), DRAN/C-RAN/vRAN/O-RAN szervezésű rádiós hozzáférési hálózatok, cloud-native szolgáltatási környezetek, felhasználási jellemzőkre szabott erőforrás-kezelés (network slicing, 5G QoS, hálózatszeletek életciklusa, orkesztráció).

    6G

6G iparági víziók, használati esetek (AR/VR/MR/XR, digitális iker/replika, telepresence), 6G szabványosítás és ütemezés, 6G követelmények, 6G kutatási és szabványosítási területek, potenciális 6G technológiák (OFDM-alapú és/vagy új megoldások, cm/mm hullámhosszak és THz-es spektrum, extrém lefedettség, új NW topológia, továbbfejlesztett mMIMO/URLLC/mMTC, AI minden funkcionalitásban).

    Wi-Fi alapú járműkommunikációs technológiák

VANET architektúrák és technológiák alapjai, bevezetés a V2X világába (kontextusok, használati esetek, kihívások/követelmények, evolúció, szabványosítás, aktuális helyzet), a szabványos C-ITS architektúra és protokoll stack, 802.11p megoldásra támaszkodó ITS G5/DSRC valamint WAVE szabványok (IEEE 1609), 802.11bd evolúció, IPWAVE és kérdéskörei (simultaneous multi-access, IP mobility management, access network discovery, handover optimization, stb.)

    Celluláris alapú járműkommunikációs technológiák

3GPP, AECC és 5GAA által azonosított járműkommunikációs felhasználási esetek, a járműkommunikáció és a MEC kapcsolódása, 4G LTE alapú járműkommunikációs megoldások, rel14/15/16 evolúció, 5G NR V2X, hibrid (3GPP + non-3GPP) V2X kommunikáció, 6G V2X.

    A tárgyak internete (IoT) és gépek közötti kommunikáció (M2M) alapelvei

Az Internettől a dolgok internetéig (lehetőségek, kihívások, új szolgáltatások), speciális IoT és M2M enablerek (ipar 4.0, PAN, egészségügy, közlekedés, energia, intelligens megoldások és eszközök, integrációs kérdések, szabványok), IoT/M2M architektúrák, hálózatok és kommunikáció, RFID technológia, intelligens érzékelők és szenzorhálózatok, IoT/M2M szolgáltatások és alkalmazások.

    Az IoT/M2M világ fejlett vezeték nélküli technológiái

Infrastruktúra és ad-hoc kommunikációs mód, QoS és mobilitás támogatása, PAN protokollok (IEEE 802.15.4, ZigBee, 6LowPAN) WAN protokollok (802.11, Wi-Fi), WMAN/WWAN megoldások (IEEE 802.16, mMTC, cMTC).

    Felsőbb rétegbeli IoT/M2M protokollok

IoT ökoszisztéma a szolgáltatások szempontjából, speciális IoT protokollok az alkalmazási és egyéb rétegekben (CoAp, HTTP, MQTT, LwM2M), IoT/M2M szabványosítás (kihívások és problémák, szabványosítási erőfeszítések a CASAGARAS, W3C, oneM2M, ANEC és további szervezetekben).

A gyakorlatok részletes tematikája

    A mobilitáskezelés problémaköre és az alapvető megoldások
    Wi-Fi technológiák összehasonlítása
    Az 5G hálózati architektúra vizsgálata
    802.11p alapú V2X protokollok
    PC5 és Uu interfészek használata celluláris járműkommunikációra
    Speciális mobil alkalmazások MEC-alapú optimalizációja
    IoT szolgáltatási architektúra vizsgálata

9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) Előadás, kiscsoportos egyéni ill. vezetett gyakorlat.

10. Követelmények Szorgalmi időszakban:
1 nagyzárthelyi eredményes megírása a félév közepén.

Vizsgaidőszakban:
Írásbeli vizsga, melybe 25%-ig beleszámít az NZH eredménye (elméleti kérdések, egyszerű feladatok).

11. Pótlási lehetőségek Nagyzárthelyi javítása a pótlási héten.

12. Konzultációs lehetőségek A nagyzárthelyit megelőzően igény esetén előzetesen egyeztetett időpontban konzultáció.

13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom A felkészülést az erre a célra készített kibővített előadásfóliák, valamint az alább megadott irodalmak segítik:

    Fundamentals of 5G Communications: Connectivity for Enhanced Mobile Broadband and Beyond: Wanshi Chen, Peter Gaal, Juan Montojo, Haris Zisimopoulos, 1st edition, ISBN-13: 978-1260459999, McGraw Hill, 2021.

    Shaping Future 6G Networks: Needs, Impacts, and Technologies: Emmanuel Bertin, Noël Crespi, Thomas Magedanz, ISBN-13: 978-1119765516, IEEE Press, 2021.

    Vehicular Networking: Christoph Sommer, Falko Dressler, ISBN-13: 978-1107046719, 2015.

    Fundamentals of Internet of Things: For Students and Professionals: John Dian, ISBN-13: 978-111984729, Wiley-IEEE Press; 1st edition, 2022.

    The WiFi Networking Book: WLAN Standards: IEEE 802.11 bgn, 802.11n , 802.11ac and 802.11ax: Gordon Colbach, ISBN-13: 978-1073328420, ‎Independently published, 2019.

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka

Kontakt óra (3+1 óra hetente x 14 hét)	56
Félévközi készülés órákra	20
Felkészülés zárthelyire	14
Házi feladat elkészítése	0
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása	30
Vizsgafelkészülés	30
Összesen	150

15. A tantárgy tematikáját kidolgozta Dr. Bokor László, egyetemi docens, HIT
Dr. Farkas Károly, egyetemi docens, HIT
Dr. Fazekas Péter, kutatómérnök, Nokia-Bell Laboratories
Suskovics Péter, kutatómérnök, Ericsson Magyarország
Dr. Telek Miklós, egyetemi tanár, HIT