Κινητά και Ασύρματα Δίκτυα. Εισαγωγικά στοιχεία

Transcript

1 Κινητά και Ασύρματα Δίκτυα Εισαγωγικά στοιχεία

2 Επικοινωνία;;; Επικοινωνία διαμοιρασμός ιδεών και πληροφοριών Γενικά, επικοινωνία είναι οτιδήποτε (όχι μόνο πληροφορία) που στέλνεται και λαμβάνεται Επικοινωνία = ηδιαδικασίαμεταφοράς πληροφορίας (ή δεδομένων) από μια οντότητα σε κάποια άλλη Οντότητα που στέλνει πληροφορία = Αποστολέας (Sender) Οντότητα που λαμβάνει πληροφορία = Παραλήπτης (Receiver) Αποστολέας Παραλήπτης πληροφορία

3 Πώς φτάσαμε στα κινητά και ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών; Ζητούμενο ήταν η επικοινωνία μεταξύ τοπικά απομακρυσμένης πηγής προορισμού Ανάλογα με την πολιτιστική και τεχνολογική εξέλιξη, έχουν χρησιμοποιηθεί διάφοροι τρόποι επίτευξης επικοινωνίας μεταξύ απομακρυσμένων μερών

4 Πώς φτάσαμε στα κινητά και ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών; Ζητούμενο ήταν η επικοινωνία μεταξύ τοπικά απομακρυσμένης πηγής προορισμού Ανάλογα με την πολιτιστική και τεχνολογική εξέλιξη, έχουν χρησιμοποιηθεί διάφοροι τρόποι επίτευξης επικοινωνίας μεταξύ απομακρυσμένων μερών

5 Πώς φτάσαμε στα κινητά και ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών; τέλη του 19ου αιώνα: Guglielmo Marconi παρουσίασετις δυνατότητες του ασυρμάτου

6 Πώς φτάσαμε στα κινητά και ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών; Ραγδαία εξέλιξη μετέπειτα: ραντάρ, ραδιοφωνία και τηλεόραση, μικροκυματικοί αναμεταδότες, αεροναυτικές, ναυτικές και δορυφορικές επικοινωνίες, κινητή τηλεφωνία Λόγω παραγόντων όπως: πρόοδος στην κατασκευή ψηφιακών κυκλωμάτων και κυκλωμάτων ραδιοσυχνοτήτων μεγάλης κλίμακας ολοκληρωμένα κυκλώματα (VLSI) αλματώδης ανάπτυξη της μικροτεχνολογίας κατασκευή αξιόπιστου, μικρού μεγέθους, φθηνού φορητού ασύρματου εξοπλισμού

7 Σύστημα επικοινωνιών: συστατικά Συσκευές επικοινωνιών Laptops, smartphones, tablets, σημεία πρόσβασης (access points), σταθμοί βάσης (base stations), κτλ Κανάλια επικοινωνιών Το φυσικό μέσο (καλώδια, αέρας) που χρησιμοποιείται για μεταφορά δεδομένων μεταξύ συσκευών επικοινωνίας Τεχνολογίες επικοινωνιών GSM,GPRS, WiFi, Bluetooth, 3G, 4G, κτλ Λογισμικό επικοινωνιών Εφαρμογές ή προγράμματα σχεδιασμένα να μεταφέρουν πληροφορία μεταξύ συσκευών επικοινωνίας

8 Δίκτυα επικοινωνιών Επικοινωνίες Διαδικασία μετάδοσης σημάτων μεταξύ συσκευών επικοινωνίας μέσω καναλιών επικοινωνίας Δίκτυα Τεχνολογίες και λογισμικό χρησιμοποιούνται για να διασυνδέουν συσκευές και να τους επιτρέπουν να επικοινωνούν Οι συσκευές μπορούν να συνδεθούν στο Δίκτυο με ενσύρματες συνδέσεις (Ενσύρματα Δίκτυα) ήμε ασύρματες συνδέσεις (Ασύρματα Δίκτυα)

9 Συστήματα κινητών ασύρματων επικοινωνιών Πλέον, όχι μόνο καθιερωθεί παγκοσμίως αλλά Σε ορισμένες περιπτώσεις, έχουν εισάγει και καθιερώσει έναν νέο τρόπο ζωής, τον οποίο χαρακτηρίζει η συνεχής και απρόσκοπτη δυνατότητα του χρήστη να επικοινωνήσει στιγμιαία από οποιοδήποτε σημείο του πλανήτη με τον οποιονδήποτε Η εξέλιξη των κινητών επικοινωνιών υπήρξε αργή και πάντοτε συνδεδεμένη με την πρόοδο των τεχνολογικών εξελίξεων: η σημερινή θεαματική εξάπλωση των κινητών προσωπικών επικοινωνιών είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την ωρίμανση των τεχνολογικών επιτευγμάτων της δεκαετίας του 1970 Η δυνατότητα προσφοράς υπηρεσιών κινητής τηλεφωνίας σε μεγάλες πληθυσμιακές μάζες συνειδητοποιήθηκε μόλις στις δεκαετίες του 60 και του 70 όταν ερευνητές στα Bell Laboratories ανέπτυξαν τις αρχές λειτουργίας της κυψελικής επικοινωνίας Μετηνεξέλιξητηςτεχνολογίαςστερεάςκατάστασηςκατάτηνδιάρκειατης δεκαετίας του 1970, επετεύχθη η κατασκευή φθηνού ασύρματου εξοπλισμού μικρού μεγέθους και υψηλής αξιοπιστίας προετοιμάζοντας το έδαφος για την έλευση της εποχής της κινητής τηλεφωνίας

10 Συστήματα κινητών ασύρματων επικοινωνιών!! Η τηλεόραση και το ραδιόφωνο, αν και ως τηλεπικοινωνιακά μέσα είναι εκ φύσεως ασύρματα στις περισσότερες περιπτώσεις, δε συμπεριλαμβάνονται στα ασύρματα δίκτυα: ημετάδοσηγίνεταιπροςπάσακατεύθυνσηχωρίςνα υπάρχει κάποιο δομημένο «δίκτυο» τηλεπικοινωνιακών κόμβων (συσκευών) μετησυνήθηέννοια τα μεταφερόμενα δεδομένα συνήθως είναι αναλογικά και, επομένως, δεν μπορούν να θεωρηθούν δίκτυα υπολογιστών

11 Ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών Δεν υπάρχουν φυσικές συνδέσεις με καλώδια Τα ασύρματα δίκτυα χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητικά κύματα (ραδιοκύματα) για τη διατήρηση καναλιών επικοινωνίας μεταξύ συσκευών Ασύρματη επικοινωνία είναι η μεταφορά δεδομένων (πληροφορίας) μεταξύ απομακρυσμένων σημείων χωρίς τη χρήση ηλεκτρικών αγωγών ή καλωδίων (μη καθοδηγούμενα σήματα) Ασύρματη Επικοινωνία αποστολέας παραλήπτης

12 Αναλογικά και ψηφιακά σήματα Μέσα προώθησης δεδομένων (πληροφορίας) σε ένα κανάλι επικοινωνίας Τα αναλογικά σήματα είναι συνεχώς μεταβαλλόμενα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που μεταφέρονται με διάφορα μέσα όπως : καλώδιο, οπτική ίνα, ομοαξονικό καλώδιο, διάστημα (ασύρματα) Δεν υπάρχουν κενά ούτε ασυνέχειες (συνεχή σήματα) Τα ψηφιακά σήματα είναι ακολουθίες ηλεκτρικών παλμών που μεταφέρονται με κάποιο ενσύρματο μέσο (δε μπορούν να μεταφέρουν δεδομένα στον αέρα) Διακριτά και ασυνεχή Μια σταθερή θετική τιμή τάσης αντιπροσωπεύει το δυαδικό 0 και μια σταθερή αρνητική τιμή τάσης αντιπροσωπεύει το δυαδικό 1

13 Ραγδαία ανάπτυξη κινητών / ασύρματων δικτύων Σημαντικά πλεονεκτήματα κινητών τηλεφώνων και άλλων κινητών/φορητών συσκευών: Παντού, Πάντα (Anywhere, Anytime), ασύρματη πρόσβαση στο συνολικό τηλεφωνικό δίκτυο και το Διαδίκτυο (internet) μέσω μιας φορητής, ελαφριάς, ασύρματης/κινητής συσκευής Smartphones, Tablets, Laptops, Personal Digital Assistants (PDAs palmtop computers), Netbooks, κτλ

14 Ραγδαία ανάπτυξη κινητών / ασύρματων δικτύων Η χρήση κινητού (mobile) Internet αυξάνεται πολύ γρηγορότερα από τη χρήση σταθερού (Desktop) Internet Ο αριθμός χρηστών Mobile Internet ξεπέρασε τον αριθμό τωνχρηστών Desktop Internet μέσα σε 8 χρόνια

15 Ραγδαία ανάπτυξη κινητών / ασύρματων δικτύων Αριθμός συνδρομητών κινητής τηλεφωνίας παγκοσμίως: 1993: 34 εκατ (σύμφωνα με την Ericsson; Φεβρουάριος 2014): 6.7 δισεκατ. Αριθμός χρηστών κινητών τηλεφώνων παγκοσμίως: Μόνο περίπου 4.5 δισεκατ. κινητοί χρήστες Μερικοί χρήστες κινητών τηλεφώνων έχουν παραπάνω από μία συνδρομές! Αριθμός συνδρομητών σταθερής τηλεφωνίας παγκοσμίως: 2014: 1.2 δισεκατ. Ο αριθμός των συνδρομητών κινητής τηλεφωνίας είναι πλέον περίπου 6 φορές μεγαλύτερος από τον αριθμό των συνδρομητών σταθερής τηλεφωνίας!

16 Ραγδαία ανάπτυξη κινητών / ασύρματων δικτύων ΟΣΟ ΥΠΑΡΧΕΙ ΟΦΕΛΟΣ Η ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΘΑ ΔΙΑΤΗΡΕΙΤΑΙ 50 ΔΙΣΕΚΑΤ. ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ ΠΡΟΒΛΕΠΟΝΤΑΙ ΓΙΑ ΤΟ 2020

17 Κινητή και ασύρματη επικοινωνία Δύο πλευρές της κινητικότητας: Κινητικότητα χρήστη: οι χρήστες επικοινωνούν (ασύρματα) οποτεδήποτε, οπουδήποτε, με οποιονδήποτε Φορητότητα συσκευών: οι συσκευές μπορούν να είναι συνδεδεμένες στο δίκτυο οποτεδήποτε και οπουδήποτε Ένα laptop, ένα PDA ήένακινητότηλέφωνοείναικινητές(mobile) συσκευές Ένας συμβατικός (desktop) υπολογιστής θα μπορούσε να ήταν κινητός (mobile) αν είχαμε τρόπο να τον μεταφέρουμε όπου πάμε Ασύρματος (wireless): υποδηλώνει κάποιου είδους δυνατότητα δικτυακής σύνδεσης Ένα κινητό τηλέφωνο είναι ασύρματο Ένα laptop ήέναpda μπορούν να είναι ασύρματες συσκευές αν διαθέτουν π.χ. ασύρματο modem

18 Κινητή και ασύρματη επικοινωνία Ασύρματο κινητό Παραδείγματα σταθερός υπολογιστής notebook σε ξενοδοχείο ασύρματο LAN σε ιστορικά κτίρια Smartphone

19 Ασύρματες συσκευές Pager λαμβάνει μόνο μικροσκοπικές οθόνες απλά μηνύματα κειμένου PDA Laptop οθόνες με απλά γραφικά πλήρως λειτουργικό αναγνώριση χαρακτήρων βασικές εφαρμογές απλουστευμένη πρόσβαση σε WWW Αισθητήρες και ενσωματωμένοι ελεγκτές Κινητά τηλέφωνα φωνή, δεδομένα οθόνες με απλά γραφικά Palmtop μικροσκοπικό πληκτρολόγιο απλές εκδόσεις βασικών εφαρμογών απόδοση

20 Πληθώρα εφαρμογών Οχήματα Μετάδοση ειδήσεων, κατάσταση οδών, καιρός, μουσική μέσω DAB Προσωπική επικοινωνία με χρήση GSM (Global System for Mobile communications) Εντοπισμός θέσης μέσω GPS (Global Positioning System) Τοπικό αδόμητο (ad hoc) δίκτυο με γειτονικά οχήματα για αποφυγή ατυχημάτων, σύστημα καθοδήγησης, Δεδομένα του οχήματος (π.χ., για λεωφορεία, τραίνα υψηλών ταχυτήτων) μπορούν να μεταδοθούν προκαταβολικά για εργασίες συντήρησης Καταστάσεις έκτακτης ανάγκης Έγκαιρη διακομιδή ασθενούς στο νοσοκομείο, τρέχουσα κατάσταση, αρχική διάγνωση Αντικατάσταση σταθερής υποδομής σε περίπτωση σεισμών, τυφώνων, φωτιάς κτλ.

21 Τυπική εφαρμογή: κυκλοφοριακή κίνηση UMTS, WLAN, DAB, GSM, cdma2000, TETRA,... ad hoc Personal Travel Assistant, DAB, PDA, laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, sensor networks,...

22 Κινητές και ασύρματες συσκευές Πάντα συνδεδεμένες με τον καλύτερο τρόπο LAN, WLAN 780 kbit/s GSM 53 kbit/s Bluetooth 500 kbit/s UMTS, GSM 115 kbit/s LAN 100 Mbit/s, WLAN 54 Mbit/s UMTS, DECT 2 Mbit/s GSM/EDGE 384 kbit/s, WLAN 780 kbit/s GSM 115 kbit/s, WLAN 11 Mbit/s UMTS, GSM 384 kbit/s

23 Πληθώρα εφαρμογών Περιοδεύων Πωλητής (Travelling salesmen) Άμεση πρόσβαση σε αρχεία πελατών κεντρικά αποθηκευμένα Συνεπής βάση δεδομένων για όλους τους πωλητές Κινητό γραφείο Αντικατάσταση σταθερών δικτύων Απομακρυσμένοι αισθητήρες, π.χ., για καιρό, σεισμική δραστηριότητα Ευελιξία για εμπορικές εκθέσεις LANs σε ιστορικά κτίρια Διασκέδαση, εκπαίδευση,... ΕξωτερικήπρόσβασηστοInternet Έξυπνη ξενάγηση με ενημερωμένες πληροφορίες που εξαρτώνται από τη θέση Αδόμητα (ad hoc) δίκτυα για παιχνίδια με πολλούς συμμετέχοντες History Info

24 Ασύρματα δίκτυα: προκλήσεις Τα ασύρματα/κινητά δίκτυα παρουσιάζουν δύο σημαντικές προκλήσεις (πέραν αυτών των παραδοσιακών ενσύρματων δικτύων): Ασύρματη επικοινωνία: με χρήση ασύρματων συνδέσμων Μετάδοση φωνής και δεδομένων με χρήση ηλεκτρομανγητικών (ράδιο) κυμάτων σε ανοιχτό χώρο (με χρήση δεδομένου φάσματος συχνοτήτων) Η ποιότητα ενός συνδέσμου επηρεάζεται από πολλούς (περιβαλλοντικούς) παράγοντες και μπορεί να παρουσιάζει μεγάλες διακυμάνσεις Κινητικότητα (Mobility): διαχείριση κινητών χρηστών που αλλάζουν σημείο σύνδεσης στο δίκτυο

25 Κινητικότητα (mobility);;; Αρχικά, τα τηλεφωνικά δίκτυα και το Internet σχεδιάστηκαν με την υπόθεση ότι οι τερματικοί σταθμοί των χρηστών είναι στατικοί Δεν υπάρχει αλλαγή τοποθεσίας (σημείου σύνδεσης) κατά τη διάρκεια μιας κλήσης Τοτερματικόενόςχρήστησυνδέεταιστοδίκτυοπάντααπόμιασυγκεκριμένη τοποθεσία Δύο όψεις της κινητικότητας: Φορητότητα συσκευής: η συσκευή μεταφέρεται εύκολα καιμπορείνα συνδεθεί (ασύρματα) στο δίκτυο πάντα και παντού. Η αλλαγή σημείου σύνδεσης στο δίκτυο γίνεται offline (σύνδεση από το σπίτι, τη δουλειά, την καφετέρια, κτλ) Κινητικότητα χρήστη (περιλαμβάνει και τη μεταφερσιμότητα συσκευής): οι χρήστες επικοινωνούν (ασύρματα) με οποιονδήποτε, πάντα και παντού. Η αλλαγή σημείου σύνδεσης στο δίκτυο γίνεται online (ο χρήστης οδηγεί από το σπίτι στη δουλειά και η κλήση/σύνδεση μεταφέρεται από μία κυψέλη σε κατά τη διάρκεια της κλήσης)

26 Φορητότητα συσκευών: επιδράσεις Τροποποιήσεις στο υλικό (hardware) Ανάγκη για υλικό ελαφρύτερο, πιο εύρωστο, με μικρότερη κατανάλωση ισχύος Περιορισμένοι πόροι Περιορισμένη χωρητικότητα μπαταριών, περιορισμένη υπολογιστική ισχύς, οθόνες χαμηλής ανάλυσης, περιορισμένη μνήμη, μικρό μέγεθος δίσκου Απώλεια δεδομένων Μεγαλύτερη πιθανότητα απώλειας δεδομένων, δηλ., ελαττώματα συσκευών, κλοπές, κτλ., που πρέπει να ληφθεί υπόψη προκαταβολικά κατά το σχεδιασμό (συγχρονισμός δεδομένων) Περιορισμένες διεπαφές χρήστη (user interface) Συμβιβασμός μεταξύ μεγέθους δακτύλων και φορητότητας

27 Ασύρματα δίκτυα: οφέλη Δυνατότητα κινητικότητας Ελευθερία κίνησης χωρίς δέσμευση από καλώδια Οι εταιρείες μπορούν να στραφούν σε προσωπικό που κινείται Αυξανόμενη αξιοπιστία Δυσλειτουργίες δικτυακών καλωδίων αποτελούν την πιο συνηθισμένη αιτία δικτυακών προβλημάτων Ευκολότερη και φθηνότερη εγκατάσταση Η εγκατάσταση δικτυακής καλωδίωσης μπορεί να είναι δύσκολη, χρονοβόρα και ακριβή διαδικασία! Εγκατάσταση σε περιοχές όπου καλωδίωση είναι δύσκολη Επεκτασιμότητα Ευκολία προσθήκης σταθμών εργασίας αφού δεν απαιτούνται καλώδια Μακροπρόθεσμη εξοικονόμηση χρημάτων Δεν υπάρχει ανάγκη αλλαγής καλωδίωσης σε περίπτωση αναδιοργάνωσης μιας εταιρείας (π.χ., νέες κατόψεις, διαχωρισμοί γραφείων, μεταφορά σε άλο κτίριο, ανακαίνιση)

28 Ασύρματα Ενσύρματα Δίκτυα: σύγκριση Υψηλότεροι ρυθμοί απωλειών λόγω (I): Θορύβου και παρεμβολών: Αυτό παρεμβολές Παρεμβολές μεταξύ των συμβόλων λόγω προώθησης μέσω πολλαπλών μονοπατιών Παρεμβολές εντός του συστήματος Παρεμβολές με άλλες πηγές ραδιοκυμάτων που εκπέμπουν στο ίδιο φάσμα συχνοτήτων Π.χ., ένα ασύρματο τηλέφωνο 2.4 GHz προκαλεί παρεμβολές σε ένα ασύρματο LAN b Ηλεκτρομαγνητικός θόρυβος Οι φούρνοι μικροκυμάτων λειτουργούν εκπέμπονταςέναςπολύισχυρόσήμαστο φάσμα συχνοτήτων 2.4 GHz και προκαλού θόρυβο σε συστήματα που λειτουργούν σε αυτή τη συχνότητα Παρεμπόδισης ραδιοσημάτων λόγω εμποδίων (Shadowing)

29 Ασύρματα Ενσύρματα Δίκτυα: σύγκριση Υψηλότεροι ρυθμοί απωλειών λόγω (IΙ): Μείωσης της ισχύος του σήματος καθώς αυτό προωθείται Η προώθηση σημάτων στα ενσύρματα δίκτυα γίνεται προς την κατεύθυνση που καθορίζουν τα καλώδια Η προώθηση σημάτων στα ασύρματα δίκτυα γίνεται με απρόβλεπτο τρόπο Τα σήματα εξασθενούν όσο μακρύτερα ταξιδεύουν Τα σήματα εξασθενούν καθώς περνούν μέσα από υλικά (αέρας, χιόνι, βροχή, ομίχλη, νερό, γυαλί, κτλ)

30 Ασύρματα Ενσύρματα Δίκτυα: σύγκριση Περιορισμένη διαθεσιμότητα φάσματος συχνοτήτων που μπορεί να χρησιμοποιηθεί Οι ραδιοσυχνότητες χρειάζονται συντονισμό στη χρήση τους, όλες οι χρήσιμες συχνότητες είναι κατειλημμένες Μικρότερη ασφάλεια και ευκολία στις υποκλοπές/επιθέσεις Radio interface προσβάσιμο από οποιονδήποτε, π.χ., ένας Σταθμός Βάσης μπορεί να προσομοιωθεί και να προσελκύει κλήσεις από κινητά τηλέφωνα Πάντα διαμοιραζόμενο μέσο Μηχανισμοί πολλαπλής πρόσβασης είναι ουσιώδεις Παρεμβολές μεταξύ αποστολέων

31 Ασύρματα Ενσύρματα Δίκτυα: σύγκριση Γενικά, σεσύγκρισημεταενσύρματαδίκτυα(αν και αυτό αλλάζει γρήγορα με τις νέες τεχνολογίες που εισάγονται (4G, LTE, LTE+)) Μικρότερο εύρος ζώνης (bandwidth), μικρότεροιρυθμοίμετάδοσης, χαμηλότερη ταχύτητα Μειωμένη Ποιότητα Υπηρεσιών (QoS) Μεγαλύτερες καθυστερήσεις, μεγαλύτεροι χρόνοι αποκατάστασης σύνδεσης Γενικά πολύ χαμηλοί ρυθμοί μετάδοσης για αυξανόμενοι αριθμό χρηστών ( διαμοιραζόμενοι πόροι )

32 Διαδικασία και στοιχεία ασύρματης διάδοσης

33 Διαδικασία και στοιχεία ασύρματης διάδοσης Πομπός (Transmitter) και Διαμόρφωση (Modulation ) Πομπός είναι μια ηλεκτρονική συσκευή που με τη βοήθεια μιας κεραίας παράγει ραδιοκύματα Οπομπόςπαράγει ένα ταλαντευόμενο ρεύμα ηλεκτρονίων (ή παλμούς) με συγκεκριμένη συχνότητα, που εφαρμόζεται στην κεραία. Όταν διεγείρεται απόαυτότοταλαντευόμενοηλεκτρικόρεύμα, η κεραία εκπέμπει ραδιοκύματα στη συγκεκριμένη συχνότητα Ο πομπός περιέχει ένα σύστημα (το Διαμορφωτή Modulator) που διαμορφώνει (αλλάζει) κάποιες ιδιότητες αυτού του ταλαντευόμενου ηλεκτρικού σήματος, ώστε να μπορεί να μεταφέρει ένα σήμα. Ο πομπός στέλνει το διαμορφωμένο ρεύμα στην κεραία ηοποίατο μετατρέπει σε ηλεκτρομαγνητικό κύμα που μπορεί να προχωρήσει στον αέρα

34 Διαδικασία και στοιχεία ασύρματης διάδοσης

35 Διαδικασία και στοιχεία ασύρματης διάδοσης Κεραία (Antenna) Είναι ηλεκτρική συσκευή που μετατρέπει ταλαντευόμενα ηλεκτρικά ρεύματα σε ραδιοκύματα, και αντίστροφα Κατά τη Μετάδοση (Transmission): Ένας πομπός στέλνει ένα ταλαντευόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στα τερματικά της κεραίας και η κεραία εκπέμπει την ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (ραδιοκυμάτων) πομπός ρεύμα κεραία ραδιοκύματα Κατά τη Λήψη (Reception): Η κεραία λαμβάνει και ανακόπτει μέρος της ενέργειας ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος για να παράγει ένα ταλαντευόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στα τερματικά της, που εφαρμόζεται στο Δέκτη για να ενισχυθεί κύμα κεραία ρεύμα δέκτης

36 Διαδικασία και στοιχεία ασύρματης διάδοσης Κεραία (Antenna) Σε ένα ασύρματο περιβάλλον, ένας Σταθμός Βάσης (Base Station) ή Σημείο Πρόσβασης (Access Point) (π.χ., μια κεραία) χρειάζεται ράδιο σύνδεση με όλουςτουςάλλουςσταθμούςβάσηςεντόςτηςακτίναςεκπομπήςτους πρέπει να εξασφαλιστεί ταυτόχρονη πρόσβαση σε πολλούς χρήστες εντός της ακτίνας εκπομπής Τεχνικές Πολλαπλής Πρόσβασης (Multiple Access techniques) χρησιμοποιούνται για τον αποδοτικό διαμοιρασμό του διαθέσιμου φάσματος σε μεγάλο αριθμό κινητών χρηστών: Frequency Division Multiple Access (FDMA) Time Division Multiple Access (TDMA) Code Division Multiple Access (CDMA) Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)

37 TDMA, FDMA, CDMA, OFDMA Υπάρχει διαθέσιμο φάσμα συχνοτήτων Σε μία χρονική μονάδα: FDMA: ένας χρήστης χρησιμοποιεί αποκλειστικά το κανάλι TDMA: το κανάλι μοιράζεται ισόποσα σε πολλούς χρήστες CDMA: όλοι οι χρήστες χρησιμοποιούν το κανάλι ταυτόχρονα με διαφορετική κωδικοποίηση OFDMA: ο σταθμός βάσης χρησιμοποιεί το κανάλι για να στείλει ταυτόχρονα σε όλους τους χρήστες μέσω πολύ κοντινών αλλά καλά διαχωρισμένων συχνοτήτων

38 TDMA, FDMA, CDMA, OFDMA Υπάρχει διαθέσιμο φάσμα συχνοτήτων Σε μία χρονική μονάδα: FDMA: ένας χρήστης χρησιμοποιεί αποκλειστικά το κανάλι TDMA: το κανάλι μοιράζεται ισόποσα σε πολλούς χρήστες CDMA: όλοι οι χρήστες χρησιμοποιούν το κανάλι ταυτόχρονα με διαφορετική κωδικοποίηση OFDMA: ο σταθμός βάσης χρησιμοποιεί το κανάλι για να στείλει ταυτόχρονα σε όλους τους χρήστες μέσω πολύ κοντινών αλλά καλά διαχωρισμένων συχνοτήτων

39 TDMA, FDMA, CDMA FDMA: Κάθε συζήτηση γίνεται σε διαφορετικό δωμάτιο για να αποφευχθούν οι παρεμβολές. Αφού οι συζητήσεις δεν ακούγονται μεταξύ διαφορετικών δωματίων, διαχωρίζονται μεταξύ τους με αλλαγή δωματίου. TDMA: Σεκάθεδωμάτιο, όλοι μιλούν με τη σειρά ο ένας μετά τον άλλον ώστε να αποφευχθούν οι παρεμβολές. Σεκάθεδωμάτιο, κάθε άτομο λαμβάνει μόνο μια φορά το λόγο, οπότε όλοι πρέπει να μιλούν γρήγορα για να πουν όλα όσα θέλουν. CDMA: Όλοι μιλούν ταυτόχρονα στο ίδιο δωμάτιο αλλά σε διαφορετική γλώσσα. Αφού κάθε γλώσσα είναι μοναδική, οι συζητήσεις μπορούν να διαχωριστούν χωρίς παρεμβολές.

40 OFDMA Κάθε χρήστης κατέχει ένα υποσύνολο συχνοτήτων για κάποιο χρονικό διάστημα Σε κάθε χρονικό διάστημα οι χρήστες δε χρησιμοποιούν ίδιες συχνότητες Το φάσμα συχνοτήτων που δίνεται σε κάθε χρήστη μπορεί να μεταβάλλεται σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα

41 Διαδικασία και στοιχεία ασύρματης διάδοσης Ασύρματη Διάδοση Σήματος Αφού δημιουργηθούν, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είτε μεταδίδονται απευθείας είτε η πορεία τους τροποποιείται λόγω ανάκλασης, διάθλασης, (Πολυδιαδρομική διάδοση Multipath propagation) Ηέντασητωνκυμάτωνεξασθενεί κατά τη διάδοση Ο θόρυβος γενικά τροποποιεί το σήμα τέτοιες ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές προέρχονται από φυσικές πηγές, αλλά και από άλλες τεχνητές όπωςάλλοιπομποίκαιτυχαίεςπηγέςεκπομπής Όταν ο θόρυβος είναι μεγάλος, το σήμα παύει να είναι ευδιάκριτο αυτό αποτελεί θεμελιώδη περιορισμό των ασύρματων επικοινωνιών

42 Διαδικασία και στοιχεία ασύρματης διάδοσης Ασύρματη Διάδοση Σήματος Πολυδιαδρομική Διάδοση: Πολλαπλά αντίγραφα του ίδιου σήματος φτάνουν στην κεραία του δέκτη μέσω δύο ή περισσότερων μονοπατιών/διαδρομών

43 Διαδικασία και στοιχεία ασύρματης διάδοσης Δέκτης και Αποδιαμόρφωση Το ηλεκτρομαγνητικό (διαμορφωμένο ραδιο ) κύμα ανακόπτεται από την κεραία του δέκτη που παρακρατά μέρος της ενέργειας του κύματος και το μετατρέπει εκ νέου σε ταλαντευόμενο ηλεκτρικό ρεύμα στο δέκτη Ο δέκτης χρησιμοποιεί ηλεκτρονικά φίλτρα για να διαχωρίσει ένα ραδιοσήμα από όλα τα άλλα σήματα που λαμβάνει στην κεραία του Στο δέκτη, τα ηλεκτρικά ρεύματα αποδιαμορφώνονται (μέσω πληροφορίας που περιέχεται στο διαμορφωμένο ραδιοκύμα) και μετατρέπονται σε μορφή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάφραση των δεδομένων

44 Στοιχεία ασύρματων δικτύων Ασύρματος σταθμός τελική συσκευή που εκτελεί εφαρμογές Laptop, palmtop, smartphone, tablet, κτλ. μπορεί να είναι σταθερός (μηκινητός) ή κινητός

45 Στοιχεία ασύρματων δικτύων Σταθμός Βάσης (Base Station) Βασικό τμήμα της υποδομής του ασύρματου δικτύου Υπεύθυνος για την αποστολή πακέτων μεταξύ ενσύρματων δικτύων και ασύρματων σταθμών στην «περιοχή» του: Cell towers, Access Points

46 Στοιχεία ασύρματων δικτύων Υποδομή Δικτύου (Network Infrastructure) Μεγαλύτερο δίκτυο με το οποίο μπορεί να θέλει να επικοινωνήσει ο ασύρματος σταθμός Συνήθως ενσύρματο δίκτυο Παρέχει παραδοσιακές δικτυακές υπηρεσίες (π.χ., διευθυνσιοδότηση και δρομολόγηση) Μπορεί να μην υπάρχει πάντα (Ad Hoc δίκτυα)

47 Δομημένα και αδόμητα (ad hoc) ασύρματα δίκτυα Δομημένα δίκτυα Οι ασύρματοι σταθμοί σχετίζονται με έναν Σταθμό Βάσης Παραδοσιακές δικτυακές υπηρεσίες παρέχονται από το ενσύρματο δίκτυο Ανάθεση πόρων, ανάθεση διευθύνσεων, δρομολόγηση, κτλ Αδόμητα (Ad hoc) δίκτυα Οι ασύρματοι σταθμοί δε συνδέονται σε κάποια υποδομή (δε σχετίζονται με Σταθμό Βάσης) Οι ίδιοι οι σταθμοί πρέπει να παρέχουν δικτυακές υπηρεσίες (οισταθμοίπρέπεινα αυτό οργανώνονται σε δίκτυο) Οι ασύρματοι σταθμοί πρέπει να συνεργάζονται με αποκεντρωμένο τρόπο γιαναβρίσκουνδιαδρομή μεταξύ τους

48 Τύποι ασύρματων δικτύων Single hop Με υποδομή Ο Σταθμός Βάσης συνδέεται με μεγαλύτερο ενσύρματο δίκτυο και οι κόμβοι επικοινωνούν απευθείας με το Σταθμό Βάσης (π.χ.., Wireless LAN, Κυψελικά Δίκτυα) Χωρίς υποδομή Δεν υπάρχει ενσύρματο δίκτυο. Ένας κόμβος συντονίζει τις μεταδόσεις των άλλων (π.χ., Bluetooth) Multi hop Υπάρχει Σταθμός Βάσης αλλά κάποιοι κόμβοι στέλνουν δεδομένα μέσω άλλων κόμβων (π.χ., Wireless Sensor Networks) Δεν υπάρχει Σταθμός Βάσης και κάποιοι κόμβοι αναμεταδίδουν μέσω άλλων κόμβων (π.χ., Mobile Ad Hoc Networks)

49 Κατηγοριοποίηση ασύρματων δικτύων Με βάση την υποδομή Δομημένα Αδόμητα Με βάση την τεχνολογία πολλαπλής πρόσβασης FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA Με βάση τα διάφορα πρότυπα 3GPP: WCDMA, HSDPA, LTE 3GPP2: CDMA2000, EV DO, UMB IEEE: IEEE , IEEE Με βάση την κινητικότητα Υποστηρίζεται μεταπομπή κλήσεων (handover) (π.χ., Κυψελικά Δίκτυα 2G, 3G, 4G) Δεν υποστηρίζεται μεταπομπή κλήσεων (π.χ., IEEE , IEEE )

50 Κατηγοριοποίηση ασύρματων δικτύων Με βάση την εμβέλεια (κάλυψη) του δικτύου Personal Area Networks (PAN) π.χ.: IEEE Bluetooth Local Area Networks (LAN) π.χ.: IEEE WiFi Metropolitan Area Networks (MAN) π.χ.: IEEE WiMax WideAreaNetworks(WAN) π.χ.: 2G, 3G, 4G, δορυφορικά δίκτυα

51 Ασύρματα/Κινητά δίκτυα Wireless Personal Area Network (IEEE Bluetooth) Wireless Local Area Network (IEEE Wi Fi) Wireless Metropolitan Area Network (IEEE WiMAX) Cellular Networks (2G, 2.5G, 3G, 4G) Mobile Ad Hoc Network (MANET) Wireless Sensor Networks (WSN)

52 WPAN (IEEE Bluetooth) Τεχνολογία που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία δικτύου μεταξύ διαφορετικών μικρών συσκευών σε κοντινή απόσταση Δε χρειάζεται καλωδίωση ούτε υποδομή Ακτίνα μετάδοσης: Μέχρι μερικές δεκάδες μέτρα Σχεδιασμένα ώστε να έχουν πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας Χρησιμοποιούν ισχύ μόνο 2.5 mw Το Bluetooth λειτουργεί στο εύρος συχνοτήτων GHz

53 WPAN (IEEE Bluetooth) Ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων : Λόγοι χρησιμοποίησης Αποφυγή καλωδίωσης Χαμηλό κόστος Ευκολία στην εγκατάσταση και χρήση Άμεση διαθεσιμότητα Καλή ασφάλεια Συμβατότητα με άλλες συσκευές

54 WLAN (IEEE Wi Fi) Η ασύρματη αναπαράσταση του Ethernet αντικαθιστά την καλωδίωση Δε χρειάζεται αδειοδότηση για τη λειτουργία ενός WLAN Ένα WLAN λειτουργεί στα φάσματα συχνοτήτων 2.4 GHz (b, g) ή 5 GHz (a, g, n, ac) που δεν απαιτούν λήψη άδειας

55 WLAN (IEEE Wi Fi) Και η τεχνολογία bluetooth λειτουργεί στο φάσμα συχνοτήτων 2.4 GHz!!! Υπάρχει σύγκρουση μεταξύ των δύο τεχνολογιών;;; Θα μπορούσε αλλά δεν είναι πιθανό. Η τεχνολογία Bluetooth χρησιμοποιεί διαφορετική μέθοδο μετάδοσης σημάτων Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) αντί για Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Πιθανέςπαρεμβολέςθαδιαρκούσανελάχιστα

56 WLAN (IEEE Wi Fi) Ακτίνα και ταχύτητες μετάδοσης Ακτίνα και ταχύτητα μετάδοσης για την τεχνολογία ac (θεωρητικές τιμές) Ακτίνα μετάδοσης: μέχρι 50 meters Ταχύτητα μετάδοσης: μέχρι 7 Gbits/sec

57 WLAN (IEEE Wi Fi) Πλεονεκτήματα WLAN ΗτεχνολογίαIEEE WLAN είναι δημοφιλής και οικονομικά ανεκτή Χρησιμοποιείται ευρέως σε σπίτια, γραφεία και άλλα δημόσια hot spots Υπάρχει ποικιλία εξοπλισμού WLAN στην αγορά Ευκολία δημιουργίας Απαιτείται μόνο ένα Σημείο Πρόσβασης (Access Point) Κινητικότητα Δεν απαιτούνται βύσματα/μπρίζες υπάρχειπρόσβασηοπουδήποτευπάρχεικάλυψη Ταχύτητα, απλότητα και ευελιξία εγκατάστασης Δε χρειάζεται καλωδίωση μέσα από τοίχους και ταβάνια Μπορεί να εγκατασταθεί οπουδήποτε ίσως είναι αδύνατο να δημιουργηθεί καλωδίωση Χαμηλότερο κόστος Δε χρειάζεται κόστος καλωδίωσης και εργασίας εγκατάστασης Επεκτασιμότητα Εξυπηρετούνται άλλοι πελάτες με υπάρχοντα εξοπλισμό Σε ενσύρματα δίκτυα, επιπλέον πελάτες απαιτούν επιπλέον καλωδίωση Η κάλυψη μπορεί να επεκταθεί με προσθήκη επιπλέον Σημείων Πρόσβασης (Access Points)

58 WLAN (IEEE Wi Fi) Μειονεκτήματα WLAN Ταχύτητα δεδομένων και αξιοπιστία (ως προς την απώλεια πακέτων) Λιγότερο αξιόπιστα και γρήγορα από τα ενσύρματα συστήματα Ακτίνα κάλυψης Οι συσκευές λειτουργούν σε περιορισμένη απόσταση από το Σημείο Πρόσβασης Παρεμβολές και θόρυβος Φούρνοι μικροκυμάτων, κάμερες ασφαλείας, ασύρματα τηλέφωνα, συσκευές ενδοεπικοινωνίας μπορούν να προκαλέσουν σημαντικές παρεμβολές Κατανάλωση ισχύος Αρκετά υψηλή σε σχέση με άλλα πρότυπα (π.χ. Bluetooth) μετατρέποντας τη χρήση μπαταριών σε σημαντικό ζήτημα Δεν υποστηρίζονται διαφοροποιημένες υπηρεσίες Όλοι οι χρήστες μοιράζονται τη χωρητικότητα του δικτύου και δε δίνονται ειδικές προτεραιότητες σε πακέτα Ασφάλεια Δυσκολότερο να εγγυηθεί, απαιτείται μη αυτόματη ρύθμιση

59 WMAN (IEEE WiMAX) Παρέχουν πολύ μεγαλύτερη ακτίνα κάλυψης σε σχέση με τα WLANs Καλύπτουν συγκεκριμένες μικρές περιοχές ή πόλεις (ακτίνα κάλυψης μέχρι 50 Km) Υποστηρίζονται Σταθερές και Κινητές εκδοχές

60 WMAN (IEEE WiMAX) Φυσικό επίπεδο βασισμένο σε OFDM Καλή αντίσταση σε παραμόρφωση πολλαπλών διαδρομών (μετριάζει τις παρεμβολές μεταξύ συμβόλων) Υποστηρίζονται διαφοροποιημένες υπηρεσίες Το σύστημα υποστηρίζει Constant Bit Rate, Real Time, Non real Time, Best Effort κτλ. Ευέλικτη και δυναμική ανάθεση πόρων σε κάθε χρήστη Η χωρητικότητα μοιράζεται μεταξύ πολλών χρηστών με βάση τις απαιτήσεις τους για την υποστήριξη Differentiated Quality of Service Η δυνατότητα αυτή δεν υποστηριζόταν από το πρότυπο IEEE Ισχυρές λειτουργίες ασφάλειας εμπεριέχονται στο πρότυπο WiMAX

61 Ιδέα: Κυψελικά δίκτυα Cellular networks (2G, 2.5G, 3G, 4G) Σεένακυψελικόδίκτυομιαγεωγραφικήπεριοχήχωρίζεταισε επικαλυπτόμενες κυψέλες (cells) και κάθε μία εξυπηρετείται από έναν σταθερό Σταθμό Βάσης Επιτυγχάνεται συνεχής κάλυψη υπηρεσιών σε αυτή τη γεωγραφική μέσω μεταπομπής (handoff), δηλ., μέσω μη αντιληπτής από το χρήστη μεταφοράς μιας κλήσης από έναν Σταθμό Βάσης σε έναν άλλον καθώς ο κινητός σταθμός περνάειταόριατηςκυψέλης

62 2G GSM (Global System for Mobile Communications) Φάσματα συχνοτήτων στην Ευρώπη (GSM 900, GSM 1800) GSM 900 (Uplink: MHz, Downlink: MHz) GSM 1800 (Uplink: MHz, Downlink: MHz) Η βασική εκδοχή του Δικτύου GSM παρείχε συμμετρική σύνδεση μεταγωγής κυκλώματος 9.6 Kbits/s μεταξύ Δικτύου και Τερματικού (υπηρεσίες ομιλίας) Εκτός από την παραδοσιακή υπηρεσία ομιλίας τα δίκτυα αυτά υποστήριζαν επιπλέον κάποιες υπηρεσίες δεδομένων και άλλες εξειδικευμένες υπηρεσίες π.χ., SMS (Short Message Service) και Voice Mail Βασίζονται σε σχήματα πολυπλεξίας TDMA/FDMA

63 2G GSM (Global System for Mobile Communications) Το συνολικό Δίκτυο διαιρείται σε 4 υποσυστήματα που το καθένα έχει δικές του «αρμοδιότητες» κατά τη διάρκεια μιας κλήσης Στόχος είναι η αποφυγή κεντρικοποιημένης λειτουργίας μείωση φόρτου στο σύστημα Σύστημα Διαχείρισης Δικτύου (NMS) Υπεύθυνο για τη λειτουργία και τη συντήρηση του δικτύου. Ο διαχειριστής του δικτύου παρακολουθεί και διατηρεί την ποιότητα δικτύου και υπηρεσιών μέσω του NMS. Κινητός Σταθμός Υποσύστημα Σταθμού Βάσης (BSS) Υπεύθυνο για τον έλεγχο των ραδιο-διαδρομών. Κάθε κλήση εξυπηρετείται μέσω του BSS. Υποσύστημα Δικτύου (NSS) Υπεύθυνο για λειτουργίες ελέγχου αποδοχής κλήσεων. Κάθε κλήση αποκαθίσταται από το NSS.

64 2.5G GPRS (General Packet Radio Service) Η μεγάλη πλειοψηφία των δεδομένων που κινούνται στο δίκτυο είναι Packet Switched (PS) και μη συμμετρικά παρά Circuit Switched και συμμετρικά το GSM δίκτυο αναβαθμίζεται με το General Packet Radio Service (GPRS) και αργότερα με Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE) Η τεχνολογία EDGE είναι γνωστή και σαν Βελτιωμένο (Enhanced) GPRS ΗτεχνολογίαGPRS απαιτείται για την εγκαθίδρυση σύνδεσης μεταγωγής πακέτου (Packet Switch) μέσω του GSM δικτύου στο Internet. Απαιτεί δύο επιπλέον κόμβους: Serving GPRS Support Node (SGSN) Gateway GPRS Support Node (GGSN)

65 2.5G GPRS (General Packet Radio Service) Με χρήση GPRS οι πόροι του δικτύου χρησιμοποιούνται αποδοτικότερα Δε δεσμεύονται πόροι. Τα δεδομένα στέλνονται σε πακέτα με βάση τη χωρητικότητα του δικτύου Έχει χαμηλότερο κόστος από υπηρεσίες που βασίζονται στη μεταγωγή κυκλώματος αφού τα επικοινωνιακά κανάλια διαμοιράζονται αντί να διατίθενται αποκλειστικά σε έναν χρήστη Με σύνδεση GPRS, το τηλέφωνο είναι " πάντα ενεργό" και μπορεί να μεταφέρει δεδομένα άμεσα και με υψηλότερες ταχύτητες: συνήθως kbps ΗτεχνολογίαEDGE προσφέρει υψηλότερους ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων μέχρι 236 kbit/s και μικρότερες καθυστερήσεις από άκρο σε άκρο Ένα επιπλέον όφελος είναι ότι τα δεδομένα μεταφέρονται τόσο γρήγορα όσο διαρκεί το να κάνει κανείς μια τηλεφωνική κλήση ΗτεχνολογίαGPRS χρησιμοποιείται για υπηρεσίες όπως Multimedia Messaging Service (MMS) Υπηρεσίες Internet όπως και πρόσβαση στο World Wide Web

66 Wi Fi Η ασύρματη δικτύωση, γνωστή ως Wi Fi (WIreless Fidelity), επιτρέπει σε κατάλληλα εξοπλισμένες φορητές συσκευές να χρησιμοποιούν ορισμένα πρότυπα επικοινωνίας για να συνδέονται μεταξύ τους ή με το Διαδίκτυο, χωρίς καλώδια, αξιοποιώντας το φάσμα των ραδιοσυχνοτήτων Το πιο διαδεδομένο πρότυπο ασύρματης δικτύωσης είναι το και οι επεκτάσεις του b και g Η ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων πάνω σε δίκτυα Wi Fi που χρησιμοποιούν την εν λόγω οικογένεια πρωτοκόλλων ξεκινά από τα 2Mbps και μπορεί να ξεπεράσει ακόμη και τα 50Mbps ΓιανασυνδεθείμιαφορητήσυσκευήστοInternet μέσω Wi Fi πρέπει να βρεθεί στην ακτίνα δράσης ( 10 μ) κάποιου σημείου πρόσβασης

67 WiFi 3G Αν διαθέτουμε ευρυζωνικές υπηρεσίες (broadband, π.χ., με καλώδιο ή τηλεφωνική γραμμή) στο σπίτι μας, μάλλον έχουμε και έναν δρομολογητή (router), μια συσκευή που κάνει την ευρυζωνική σύνδεση ασύρματη: με άλλα λόγια, έχουμε Wi Fi Έχουμε έτσι τη δυνατότητα να χρησιμοποιούμε laptop, tablet ή άλλες συσκευές μέσα στο σπίτι, ΑΛΛΑ τι γίνεται όταν είμαστε στο αυτοκίνητο ή στην παραλία; Δεν υπάρχει Wi Fi δεν υπάρχει Internet Εδώ υπεισέρχεται το 3G

68 WiFi 3G 3G = μορφή Wi Fi παντού : εξασφαλίζει πρόσβαση στο Internet μέσω των κεραιών που παρέχουν υπηρεσία φωνής στοκινητόμαςτηλέφωνο( 4G είναι χοντρικά το ίδιο πράγμα αλλά πιο γρήγορα) Δε διαθέτουν όλες οι συσκευές εξοπλισμό για πρόσβαση στην υπηρεσία 3G Π.χ., κάποια tablets (Kindle Fire και Nook Color) παρέχουν μόνο δυνατότητα Wi Fi: μπορούν να συνδεθούν στο Internet ΜΟΝΟΝ όταν υπάρχει κάποιο Wi Fi hotspot (όπως, ο δρομολογητής στο σπίτι ή αντίστοιχος σε καφέ, βιβλιοθήκη, αεροδρόμιο, κτλ) Υπάρχουν laptops, tabletsκαι gadgets που διαθέτουν εξοπλισμό και για 3G και για Wi Fi: τότε, συνήθως, απαιτείται συνδρομή σε κάποιον πάροχο