ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Ανανά Δημήτριου Αριθμός Μητρώου: 7212 Θέμα Μελέτη τεχνικών παραμέτρων και λειτουργικών διαδικασιών διασύνδεσης ετερογενών ασύρματων δικτύων Επιβλέπων Καθηγητής Καθηγητής: Σταύρος Κωτσόπουλος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας

2 Πάτρα, Σεπτέμβριος 2015 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με Θέμα Μελέτη τεχνικών παραμέτρων και λειτουργικών διαδικασιών διασύνδεσης ετερογενών ασύρματων δικτύων Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Ανανά Δημήτριου του Σταύρου Αριθμός Μητρώου: 7212 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../.../... Ο Επιβλέπων Καθηγητής Σταύρος Κωτσόπουλος Ο Διευθυντής του Τομέα Καθηγητής Νικόλαος Φακωτάκης

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: Μελέτη τεχνικών παραμέτρων και λειτουργικών διαδικασιών διασύνδεσης ετερογενών ασύρματων δικτύων Φοιτητής: Ανανάς Δημήτριος του Σταύρου Επιβλέπων: Καθηγητής Σταύρος Κωτσόπουλος 1

4 Περίληψη Οι ασύρματες επικοινωνίες αποτελούν έναν από τους πιο σημαντικούς τομείς της εποχής μας. Μπορούμε να πούμε με σιγουριά ότι ο επαφή του ανθρώπου τα τελευταία χρόνια με αυτές έχει αυξηθεί κατακόρυφα, αφενός λόγω της ραγδαίας ανάπτυξης των τηλεπικοινωνιών και αφετέρου λόγω της εμφάνισης και εγκαθίδρυσης του διαδικτύου στην καθημερινή μας ζωή. Η προσφορά τους δεν περιορίζεται μόνο στην επικοινωνία μεταξύ των ανθρώπων, αλλά συνεισφέρει και στην ενημέρωση, την παιδεία, την ψυχαγωγία αλλά και τη διευκόλυνση της καθημερινότητας του ανθρώπου. Έτσι, δεν είναι υπερβολή να πούμε ότι οι τηλεπικοινωνίες θα αποτελέσουν σημείο αναφοράς της τεχνολογίας, όχι μόνο για το άμεσο μέλλον, αλλά όπως αναμένεται, για όλο τον 21 ο αιώνα Στόχος της διπλωματικής αυτής είναι η ανάλυση και η μελέτη όλων εκείνων των παραμέτρων που εμπλέκονται στη λειτουργία ενός ετερογενούς δικτύου, αλλά και ο σχεδιασμός ενός δικτύου τεχνολογίας GSM,Wi-Fi και WiMAX για την εξαγωγή πιο ρεαλιστικών αποτελεσμάτων. Η εργασία χωρίζεται σε δύο κύρια μέρη: Στο πρώτο μέρος περιγράφονται οι παράμετροι των δικτύων που θα συμμετάσχουν στη μελέτη, γίνεται ανάλυση των λειτουργικών τους διαδικασιών και εξηγείται η δυνατότητα συνύπαρξης τους στα πλαίσια του ετερογενούς δικτύου. Στο δεύτερο μέρος αναλύεται λεπτομερώς η έννοια των ετερογενών δικτύων αλλά και της κάθετης μεταπομπής που θα μας απασχολήσει στην πειραματική μελέτη. Παράλληλα, εξάγονται τα κριτήρια που πρέπει να πληρούνται για την απόφαση της μεταπομπής. Έτσι, λαμβάνοντας υπόψη όλες τις απαραίτητες παραμέτρους, γίνεται υλοποίηση ενός εικονικού δικτύου και πραγματοποιείται η μεταπομπή μεταξύ δύο διαφορετικών δικτύων. Τέλος, γίνονται οι κατάλληλοι υπολογισμοί για τη σύγκριση των μεταπομπών σε κατάλληλο πρόγραμμα. 2

5 Abstract Wireless communications is one of the most important technological fields of our time. We can safely say that human interaction with wireless communications in recent years has risen sharply, not only because of the rapid development of telecommunications but also because of the emergence and establishment of the Internet in our daily lives. Their affect is not limited to communication between people, but also contributes to information, education, entertainment and facilitate the everyday life of man. So it is no exaggeration to say that telecommunications will become a benchmark of technology, not just the near future, but as expected for the entire 21st century. The aim of this thesis is the analysis and study of all parameters involved in the operation of an heterogeneous network, but also the design of a GSM, Wi-Fi and WiMAX heterogenous network to export more realistic results. The dissetation is divided in two main chapters: The first chapter describes the parameters of the networks that will participate in the study. Their operational procedures are analyzed and their co-existence within the heterogenenous network is explained. The second chapter expands the concept of heterogeneous networks and vertical handover that will be involved in the experimental study. At the same time, we export the necessary criteria for the handover decision. Thus, taking into account all the necessary parameters, a virtual network is implemented and the handover takes place between two different networks. Finally, the appropriate calculations are made for comparing different handovers, using a suitable program. 3

6 4

7 Περιεχόμενα 1 ο Κεφάλαιο: Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες ) Εισαγωγή ) Κυψελοειδή Τηλεφωνικά Δίκτυα ) Ασύρματα Δίκτυα ) Ασύρματες Υπηρεσίες Δεδομένων ) Ετερογενή Δίκτυα ) Συμπεράσματα ο Κεφάλαιο: Εισαγωγή στις τεχνολογίες και ) Wi-Fi.) ) Εισαγωγή ) Επισκόπηση των δραστηριοτήτων του ) Χαρακτηριστικά του ) Τοπολογία του ) Basic Service Set (BSS) ) Extended Service Set (ESS) ) Πλαίσιο MAC ) Inter Frame Spacing ) Κατανεμημένη Λειτουργία Συντονισμού (DCF) ) RTS/CTS ) Σημειακή Λειτουργία Συντονισμού ) Σύνδεση ) Πιστοποίηση ) Συγχρονισμός ) Φυσικό Επίπεδο ) Τεχνική FHSS ) Τεχνική OFDM ) Τεχνική MIMO ) Συμπεράσματα ) WiMAX ) Εισαγωγή ) a ) WiMAX vs WLAN ) WiMAX vs Wi-Fi ) Δίκτυα Πλέγμα ) Ασύρματες Υπηρεσίες ) Υποδομή WiMAX ) IP Αρχιτεκτονική Δικτύου WiMAX ) Mobile WiMAX ) Περιγραφή Φυσικού Επιπέδου ) Δομή Πλαισίου TDD ) Περιγραφή Στρώματος MAC ) Ασφάλεια

8 2.2.7.) Συμπεράσματα ο Κεφάλαιο: Κυψελοειδή Δίκτυα: UMTS ) Εισαγωγή ) Τρεις Γενιές Κινητών Επικοινωνιών ) UMTS Αρχιτεκτονική ) Επισκόπηση Δικτύου ) Εξοπλισμός Χρήστη ) Μέρη του UTRAN ) Λογικά Επίπεδα UMTS ) Επίπεδο Χρήστη ) UMTS Διεπαφή Αέρα ) Συμπεράσματα ο Κεφάλαιο: Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή ) Εισαγωγή ) Πλεονεκτήματα της Κάθετης Μεταπομπής ) Τεχνικές Προκλήσεις για τη Κάθετη Μεταπομπή ) Η ετερογένεια στις ασύρματες τεχνολογίες ) Η μεταπομπή στο δεύτερο και τρίτο επίπεδο ) Μακρό και Μικρό-Κινητικότητα ) Μελέτες Κάθετης Μεταπομπής ) Διαδικασία Μεταπομπής ) Κριτήρια Κάθετης Μεταπομπής ) Κριτήρια Απόφασης Μεταπομπής ) Αλγόριθμοι Απόφασης Μεταπομπής ) Στρατηγικές Απόφασης Μεταπομπής ) Προσεγγίσεις Υλοποίησης Μεταπομπής ) Αρχιτεκτονικές για την Ενσωμάτωση των Ετερογενών Ασύρματων Δικτύων ) Στενά και Χαλαρά συνδεδεμένες Αρχιτεκτονικές ) Αρχιτεκτονικές Μακρό-Κινητικότητας ) Αρχιτεκτονικές Μικρό-Κινητικότητας ) Συμπεράσματα ο Κεφάλαιο: Διαδικασία Πειραματικών Μετρήσεων-Προσομοίωση ) Εισαγωγή ) Διαδικασία Πειραματικών Μετρήσεων ) Εργαλεία που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη των αποτελεσμάτων ) Προσομοίωση: Κάθετη Μεταπομπή UMTS-Wi-Fi ) Προσομοίωση: Κάθετη Μεταπομπή UMTS-WiMAX ) Προσομοίωση: Κάθετη Μεταπομπή Wi-Fi-WiMAX ) Συμπεράσματα Παράρτημα...94 Βιβλιογραφία

9 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες 1.1.Εισαγωγή Κεφάλαιο 1:Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες Ο κλάδος των τηλεπικοινωνιών παρουσίασε ραγδαία εξέλιξη τα τελευταία χρόνια. Ο λόγος είναι η ανάγκη και η επιθυμία του ανθρώπου για συνεχή επικοινωνία. Παρατηρείται συνεχής εξέλιξη αλλά και βελτίωση των ήδη υπαρχόντων τεχνολογιών, αλλά και η δημιουργία νέων, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός μεγάλου ερευνητικού πεδίου, αλλά και μιας ισχυρής βιομηχανίας που ασχολείται με τα προϊόντα ασύρματης και ενσύρματης επικοινωνίας. Βασικών πυλώνας της εξέλιξης στον κλάδο αυτό είναι η ύπαρξη των ασύρματων δικτύων και των δικτύων κινητών επικοινωνιών, που εξελίσσονται μέρα με τη μέρα, σε ρυθμούς που ξεπέρασαν και τις προσδοκίες των σχεδιαστών. Η δυνατότητα συνεχής επικοινωνίας, με πρόσβαση στο διαδίκτυο σε κάθε σημείο προχώρησαν ένα βήμα παραπέρα τις επικοινωνίας, κάνοντας τες αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινότητας μας Κυψελοειδή Τηλεφωνικά Δίκτυα Στην εποχή μας, η εξέλιξη των κυψελοειδών συστημάτων κινητής τηλεφωνίας έχει οδηγήσει στη καθιέρωση τους στη καθημερινότητα του ανθρώπου, κάνοντας τα παράλληλα εξαιρετικά κερδοφόρα. Μπορούν να παρέχουν δυνατότητα ομιλίας αλλά και μετάδοσης δεδομένων με κάλυψη σε τοπικό, εθνικό και διεθνές επίπεδο. Ο αρχικός τους σχεδιασμός αφορούσε τη χρήση τους ως κινητούς σταθμούς εντός των αυτοκινήτων. Σήμερα, έχουν τη δυνατότητα να εξυπηρετούν κινητούς σταθμούς που λειτουργούν μέσα και έξω από κτήρια και ίσως κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες. Η λογική της κυψελοειδής δομής βασίζεται στην επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων, μια λογική που βασίζεται στην εξασθένηση του σήματος μετά από μια γεωγραφική απόσταση. Ο τρόπος χωρισμού των καναλιών γίνεται με τρόπο ώστε να γίνεται επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων όσο πιο συχνά γίνεται, έτσι να γίνεται αποδοτική χρήση του φάσματος. Όσο όμως η απόσταση επαναχρησιμοποίησης μειώνεται, αυξάνεται η παρεμβολή μεταξύ κυψελών. Έτσι, πρέπει να έχουν υπόψιν μας ότι η παρεμβολή πρέπει να παραμένει κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο ώστε να έχουμε καλή και αποδοτική λειτουργία του συστήματος. Τα πρώτα κυψελοειδή συστήματα χαρακτηρίζονται από υψηλό κόστος των σταθμών βάσης, με αποτέλεσμα να χρησιμοποιείται μικρός αριθμός κυψέλης για την κάλυψη μιας περιοχής. Οι σταθμοί βάσης βρίσκονταν σε ψηλά κτήρια η βουνά και εξέπεμπαν σε υψηλά επίπεδα ισχύος. Έτσι ουσιαστικά δημιουργήθηκαν οι πρώτες μακρό-κυψέλες, λόγω του μεγάλου μεγέθους τους, ενώ εξέπεμπαν σε όλες τις κατευθύνσεις. Με την πάροδο του χρόνου, οδηγηθήκαμε στη εξαγωνική γεωμετρική μορφή της κυψέλης, καθώς το εξάγωνο είναι το κοντινότερο σχήμα, που προσφέρει την επιθυμητή κάλυψη. Σήμερα, παρατηρούνται επίσης μικρότερες κυψέλες οι οποίες εκπέμπουν και σε μικρότερη ισχύ και ονομάζονται μικρό-κυψέλες. Αυτή η αλλαγή συνέβη εξαιτίας των διαφοροποιήσεων 7

10 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες της πυκνότητας των χρηστών ανά γεωγραφική περιοχή αλλά και λόγω του κόστους. Ωστόσο, η εξέλιξη έχει επιφέρει και κάποια προβλήματα, αφού οι χρήστες διασχίζουν γρήγορα μια τέτοια κυψέλη και οι μεταπομπές αυξάνονται. Παράλληλα, είναι δυσκολότερη η ανάπτυξη μοντέλων διάδοσης για μικρές κυψέλες, αφού η μετάδοση εξαρτάται από τη θέση του σταθμού βάσης. Η πρώτη γενιά κυψελοειδών συστημάτων σχεδιάστηκε το 1960, πολύ πριν την χρήση των ψηφιακών επικοινωνιών. Τα συστήματα δεύτερης γενιάς αποτέλεσαν μέρος των ψηφιακών επικοινωνιών, εξαιτίας των πολλών πλεονεκτημάτων. Υπάρχει καλύτερη ποιότητα φωνής λόγω του κώδικα διόρθωσης λαθών, ενώ με τα ψηφιακά συστήματα πετυχαίνουμε και μεγαλύτερη χωρητικότητα σε σχέση με τα αναλογικά. Τέλος, τα ψηφιακά συστήματα παρέχουν υπηρεσίες δεδομένων, πέρα από ομιλία όπως SMS, e- mail, πρόσβαση στο ίντερνετ. Σχήμα 1.1 Το κυψελοειδές τηλεφωνικό σύστημα 1.3. Ασύρματα Δίκτυα Στη σημερινή εποχή, όπου τα δίκτυα βρίσκονται σε άνθηση, τα ασύρματα δίκτυα βρίσκονται στη κορυφή σε επίπεδο σπουδαιότητας. Η ασύρματη ευρυζωνικότητα παρέχει πρόσβαση στο Internet, επεκτείνοντας έτσι την εμβέλεια των δικτύων. Αυτό πρακτικά έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη της κινητικότητας. Οι χρήστες δηλαδή, μπορούν να μετακινούνται σε όλο το εύρος του δικτύου, ανάλογα με τις ανάγκες τους χωρίς την 8

11 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες ανάγκη κάποιου καλωδίου, κάνοντας χρήση όλων των πλεονεκτημάτων του εκάστοτε δικτύου. Με έναν σχετικά απλό εξοπλισμό μπορούμε να καλύψουμε τις ανάγκες ενός κτηρίου ή ενός πανεπιστημιακού χώρου, ενώ με την βελτίωση του εξοπλισμού, η κάλυψη μπορεί να αυξηθεί. Η εγκατάσταση και η επέκταση ενός ασύρματου δικτύου, ενός δικτύου Wi-Fi για παράδειγμα, είναι πολύ ευκολότερη σε σχέση με την αντίστοιχη σε ένα ενσύρματο δίκτυο όπου απαιτείται φυσική σύνδεση. Σχήμα 1.2: Ένα τυπικό WLAN Τα ασύρματα δίκτυα χαρακτηρίζονται και από μεγάλη ευελιξία, το οποίο είναι πολύ σημαντικό στην παροχή υπηρεσιών. Οι δημιουργοί του Wi-Fi, ασχολήθηκαν εκτενώς με τη δημιουργία hot-spot σε αεροδρόμια, σταθμούς τρένων, παρέχοντας έτσι υπηρεσίες σε πολλούς χρήστες που είχαν ανάγκη τη συνδεσιμότητα κατά τη μεταφορά τους. Καθοριστικός λόγος της ανάπτυξης των hotspots είναι το γεγονός ότι, παρόλο που έχει μικρό εύρος κάλυψης, είναι αρκετά φθηνότερο στη δικτύωση, συγκριτικά με ένα δίκτυο WAN. Η ευελιξία αυτή λοιπόν που παρέχουν τα WLAN έχει οδηγήσει στη δημιουργία δικτύων από κοινότητες ανθρώπων, οι οποίοι λόγω της χαμηλής τιμής του εξοπλισμού, στήνουν εθελοντικά τα δικά τους κοινόχρηστα ασύρματα δίκτυα, τα οποία είναι διαθέσιμα προς όλους. Έτσι, έχουμε δωρεάν Internet σε μια μεγάλη μερίδα του κόσμου, κάτι που στο παρελθόν ήταν αδύνατο. Τα ασύρματα δίκτυα περιλαμβάνουν δύο τεχνολογίες από το χώρο των επικοινωνιών: τα δίκτυα δεδομένων που βοηθούν στη μεταφορά πληροφοριών ανάμεσα σε δύο ή περισσότερους χρήστες και την ασύρματη επικοινωνία, η οποία μεταδίδει δεδομένα με τη χρήστη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Τα πρώτα δίκτυα Wi-Fi κάλυπταν τις ανάγκες σε εύρους ενός γραφείο. Σήμερα, χιλιάδες χρήστες μπορούν να απολαμβάνουν ευρυζωνικές υπηρεσίες, σε πολλά σημεία της πόλης. Διαφορετικές ομάδες προϊόντων και υπηρεσιών προσπαθούν να επιτύχουν το ίδιο στόχο, δηλαδή την ανταλλαγή δεδομένων με ραδιοσήματα. Οι πιο διαδεδομένες σήμερα είναι το Wi-Fi, το WiMAX και οι κυψελοειδείς υπηρεσίες 3G και 4G. 9

12 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες Σχήμα 1.3 Σύνδεση στο Internet μέσω Hot-spot από αεροδρόμιο 1.4.Ασύρματες Υπηρεσίες Δεδομένων Η μεγάλη εξέλιξη της ασύρματης τεχνολογίας, έχει κάνει εφικτή την ύπαρξη σύνδεσης με ένα δίκτυο από οποιοδήποτε σημείο εντός της εμβέλειας του. Παρολ'αυτά, ακόμα και σήμερα η ασύρματη επικοινωνία δεν είναι η πιο ασφαλής λύση, αφού είναι πιο ευαίσθητα σε πιθανές υποκλοπές από τα ενσύρματα δίκτυο ενώ απαιτούν μια πιο πολύπλοκη διαδικασία για την εγκατάσταση μιας σύνδεσης. Εμείς όμως θα αναφερθούμε σε μία σειρά από ασύρματα δίκτυα που έκαναν εφικτή την σύνδεση υπολογιστών και συσκευών με το Internet καθώς και με τοπικά δίκτυα. Wi-Fi Τα τελευταία χρόνια, η IEEE έχει δημιουργήσει μια σειρά από πρότυπα για ασύρματα δίκτυο που εντάσσονται στο τίτλο και ορίζουν τη δημιουργία ενός ασύρματου δικτύου το οποίο ονομάζεται Wi-Fi. Κυκλοφόρησε αρχικά το 1997 οι εκδόσεις b και a παρείχαν προδιαγραφές για ασύρματα δίκτυα Ethernet και για βελτίωση των ταχυτήτων αντίστοιχα. Μερικά άλλα πρότυπα που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι τα g και n. Πιο συγκεκριμένα, το n αντικαθιστά το b καθώς είναι ασφαλέστερο και ταχύτερο. Πάντως, τα παλαιότερο πρότυπα θα συνεχίσουν να Σχήμα 1.4 Λογότυπο Wi-Fi 10

13 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες λειτουργούν και έτσι οι Wi-Fi εξοπλισμοί θα συνεχίσουν να υποστηρίζουν μια σειρά από διαφορετικές τεχνολογίες της ίδιας οικογένειας δικτύων. Η αρχική ιδέα του Wi-Fi αφορούσε τη δημιουργία ενός ασύρματου LAN έτσι ώστε οι αποστάσεις μεταξύ των τερματικών συσκευών και των σταθμών βάσης Wi-Fi να περιορίζονται στα 35 μέτρα για κλειστούς χώρους και 100 για ανοικτούς. Κυψελοειδής Ασύρματες Υπηρεσίες Πολλές ασύρματες ευρυζωνικές υπηρεσίες δεδομένων του σήμερα αποτελούν επέκταση της ασύρματες κυψελοειδούς τεχνολογίας. Οι γνωστότερες στο ευρύ κοινό είναι οι υπηρεσίες 3G επειδή βασίζονται στη τεχνολογία κυψελοειδούς τηλεφωνίας τρίτης γενιάς. Βλέποντας την εξέλιξη των κυψελοειδών τεχνολογιών βλέπουμε ότι η πρώτη γενιά κάλυπτε μόνο την δυνατότητα της απλής κλήσης ομιλίας, άλλα η εξέλιξη και η εμφάνιση νέων γενεών κινητής τηλεφωνίας έφερνε κάθε φορά και νέες δυνατότητες για τους χρήστες. Για τους χρήστες που χρησιμοποιούν τις συσκευές τους μακριά από το σπίτι, το σημαντικό πλεονέκτημα της ευρυζωνικής υπηρεσίας αφορά την κάλυψη μιας ευρείας περιοχής σε σχέση με το Wi-Fi. Οι κυψελοειδής ασύρματες υπηρεσίες προσφέρουν κάλυψη στις περισσότερες αστικές περιοχές και σε αρκετές περιοχής της υπαίθρου. Παράλληλα, παρατηρείται εξέλιξη στην τεχνολογία των υπολογιστών και έτσι τα σύγχρονα κινητά διαθέτουν δυνατότητες για χρήστη του Internet μέσω του κινητού τηλεφώνου. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι σύγχρονες συσκευές κινητής τηλεφωνίας μπορούν να προσαρμοστούν μέσω κάποια αντάπτορα σε φορητούς υπολογιστές, παρέχοντας τους ασύρματη σύνδεση στο Internet μέσω το πάροχου υπηρεσιών κυψελοειδής τηλεφωνίας. Σχήμα 1.5: Εξέλιξη Ασύρματων Κυψελοειδών Δικτύων 11

14 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες WiMAX Το WiMAX είναι μια πολύ σημαντική τεχνολογία που αφορά τη μετάδοση ευρυζωνικών ασύρματων δεδομένων σε μεγάλες γεωγραφικές περιοχές. Ουσιαστικά είναι μια υπηρεσία μητροπολιτικού δικτύου με ένα η περισσότερους σταθμούς βάσης όπου ο καθένας έχει τη δυνατότητα παροχής υπηρεσιών σε εμβέλεια 30 μιλίων. Το WiMAX είναι μέρος του προτύπου της IEEE. Κάθε χρήστης χρησιμοποιεί συχνότητες στο εύρος των 2 με 11 GHz ενώ μπορεί να μεταφέρει δεδομένων με ρυθμούς έως 70 Mbps, με τις πραγματικές ταχύτητες όμως να είναι σαφώς μικρότερες. Το WiMAX είναι ένα ραδιοσύστημα το οποίο δημιουργήθηκε για την παροχή ευρυζωνικού Internet, αντικαθιστώντας τα υπάρχοντα συστήματα. Ως αποτέλεσμα, το WiMAX θα μπορούσε να θεωρηθεί ως εν μέρει ανταγωνιστής των κυψελοειδών συστημάτων που διανέμουν πρόσβαση στο Internet. Η πιο συνηθισμένη χρήση του αφορά τη κάλυψη μιας ομάδας κτηρίων ή ενός πανεπιστημιακού χώρου. Σχήμα 1.6: Η τεχνολογία WiMaX Bluetooth Το Bluetooth είναι μια ακόμα τεχνολογία ασύρματων δικτύων η οποία χρησιμοποιεί ραδιοσήματα για τη σύνδεση ενός υπολογιστή ή κινητού τηλεφώνου με άλλες περιφερειακές συσκευές, μεταφέροντας δεδομένα από τη μια συσκευή στην άλλη. Πρόκειται για ένα σύστημα που χρησιμοποιεί τεχνολογία θρυμματισμού των πακέτων, μεταφέροντας τα σε 79 διαφορετικές συχνότητας στη ζώνη συχνοτήτων των 2.4 GHz, 12

15 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες όπως και το Wi-Fi. To Bluetooth δεν χρησιμοποιείται για τη σύνδεση μιας συσκευής στο Internet, κυρίως λόγω της χαμηλής του ταχύτητας άλλα και της περιορισμένης εμβέλειας. Για να αποφευχθεί η παρεμβολή μεταξύ του Bluetooth και του Wi-Fi, πολλοί υπολογιστές χρησιμοποιούν και τις δύο τεχνολογίες με συντονισμo των λειτουργιών, κάτι το οποίο προσφέρει ελαφρώς πιο αργές υπηρεσίες Ετερογενή Δίκτυα Η εξέλιξη της τεχνολογίας τα τελευταία χρόνια στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα και πιο συγκεκριμένα στα κυψελοειδή συστήματα, τα οποία αποτελούν έναν βασικό πυλώνα τους, είναι θεαματική. Αξίζει να αναφερθεί, ως χαρακτηριστικό παράδειγμα ότι η αρχιτεκτονική των δικτύων 4G περιλαμβάνει διαφορετικά δίκτυα ασύρματης πρόσβασης με κοινό στρώμα αναφοράς το στρώμα δικτύου και το πρωτόκολλο IP που υλοποιείται σε αυτό. Το mobile IP, θα προσφέρει στους κινητούς χρήστες πρόσβαση στο Διαδίκτυο. Είναι φανερό ότι η σημερινή εποχή λοιπόν, των πολλών και διαφορετικών δικτύων, απαιτεί από τη τεχνολογία την δυνατότητα χρήσης όχι ενός, αλλά πολλών ταυτόχρονα, τον συσχετισμό των δυνατοτήτων τους έτσι ώστε παρέχονται υψηλού επιπέδου υπηρεσίες στο χρήστη. Σύμφωνα με τον ορισμό της ITU, με το όρο ετερογενές δίκτυο, ονομάζουμε ένα δίκτυο μεταγωγής πακέτων το οποίο έχει τη δυνατότητα να παρέχει υπηρεσίες, συμπεριλαμβανομένου των υπηρεσιών τηλεπικοινωνίας και έχει την ικανότητα να αξιοποιεί διαφορετικές ευρυζωνικές, QoS υπηρεσίες μεταφοράς, των οποίων οι λειτουργίες είναι ανεξάρτητες από τις υποκείμενες σχετιζόμενες με μεταφορά τεχνολογίες. Παράλληλα, να εξασφαλίζει για τους χρήστες δυνατότητα πρόσβασης σε διαφορετικούς παρόχους υπηρεσιών. Τέλος, σημαντική θεωρείται η παροχή γενικευμένης κινητικότητας με σκοπό την παροχή υπηρεσιών σε κάθε σημείο, στους χρήστες. Η ιδέα αυτή πρακτικά αποτελεί την υλοποίησης της ενοποιημένης τηλεπικοινωνίας των ασύρματων δικτύων (Wi-Fi/WiMaX/GSM/UMTS) αλλά και του δικτύου δεδομένων (Internet). 1.6.Συμπεράσματα Τα τελευταία χρόνια, παρατηρείται μια τεράστια εξέλιξη που αφορά τον κόσμο των ασύρματων επικοινωνιών. Τα ασύρματα δίκτυα είναι πλέον αναπόσπαστο κομμάτι της ζωής των ανθρώπων, κάνοντας πολλούς άλλους κλάδους όπως το εμπόριο, την ιατρική της επικοινωνίες να στηρίζονται σε αυτές και να εξελίσσονται χάρη τους. Τα κυψελοειδή συστήματα και τα συστήματα τρίτης γενιάς, ασύρματης πρόσβασης στο Διαδίκτυο και η ιδέα της ευρυζωνικότητας έχουν προσελκύσει εκατομμύρια χρήστες, ενώ συνεχείς ιδέες για την περαιτέρω βελτίωση τους έρχονται συνεχώς στο προσκήνιο. Μερικές όροι, όπως 3G,Wi-Fi, Bluetooth έχουν πλέον γίνει γνωστοί σε όλα τη μήκη και πλάτη της γης. Ο τελικός στόχος είναι η όλο και περισσότερη ενσωμάτωση του πληθυσμού με τη χρήση 13

16 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες των τεχνολογιών αυτών, αλλά και η δημιουργία νέων, οι οποίες σκοπό θα έχουν τη βελτίωση της ζωής των ανθρώπων με κάθε δυνατό τρόπο. 14

17 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και Κεφάλαιο 2: Εισαγωγή στις τεχνολογίες και Wi-Fi Εισαγωγή Το πρότυπο IEEE για ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN) εστιάζει στα επίπεδα MAC και φυσικό για δίκτυα σταθμών βάσης και ad-hoc δίκτυα Το αρχικό πρότυπο υποστήριζε τρεις εναλλακτικές τεχνολογίες φυσικού επιπέδου, διάχυση με υπέρυθρες στα 1Mbit/s, τη μέθοδο FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) στα 1-2Mbit/s και τη μέθοδο DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum- ) στα 1-2Mbit/s επίσης. Σε αυτό το κεφάλαιο δίνεται μια επισκόπηση των διάφορων δραστηριοτήτων του ασύρματου IEEE 802 ενώ το πρωτότυπο IEEE αναλύεται λεπτομερώς Επισκόπηση των δραστηριοτήτων του Πολλά ασύρματα πρότυπα υλοποιούνται μέσω του IEEE 802. Σε αυτό το κεφάλαιο γίνεται μια επισκόπηση αυτών και των λειτουργιών τους. Η παρακάτω εικόνα απεικονίζει τις διάφορες τεχνολογίες του προτύπου 802.Πρόκειται για τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται τώρα αλλά και άλλες που θα χρησιμοποιηθούν στο μέλλον. Πιο συγκεκριμένα: IEEE : Αναπτύσσει πρότυπα για ασύρματα τοπικά δίκτυα. IEEE : Αναπτύσσει πρότυπα για ασύρματα δίκτυα χρήστη (WPAN). IEEE :Αναπτύσσει πρότυπα για ευρυζωνική ασύρματη πρόσβαση(bwa) και ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα (WMAN) IEEE : Αναπτύσσει πρότυπα για κινητή ευρυζωνική ασύρματη πρόσβαση (MBWA). IEEE : Αναπτύσσει πρότυπα για μεταπομπή μεταξύ διαφορετικών τεχνολογιών Χαρακτηριστικά του Το πρότυπο παρέχει λειτουργικότητα σε φυσικό επίπεδο (PHY) και MAC για ασύρματη συνδεσιμότητα σε σταθερούς, φορητούς και κινούμενους σταθμούς,σε ταχύτητες πεζών αλλά και οχημάτων μέσα σε μια τοπική περιοχή (LAN). Το πρότυπο λαμβάνει υπόψη τις παρακάτω σημαντικές διαφορές μεταξύ ενσύρματων και ασύρματων τοπικών δικτύων: 15

18 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και Σχήμα 2.1: Πρότυπα, ρυθμός μετάδοσης και κινητικότητα Διαχείριση ενέργειας : Οι περισσότερες κάρτες διασύνδεσης δικτύου (NIC) είναι διαθέσιμες σε μορφή PCMCIA; έτσι μπορεί κανείς να εξοπλιστεί με φορητό και κινητό υπολογιστικό εξοπλισμό που διαθέτει συνδεσιμότητα με ασύρματο τοπικό δίκτυο (WLAN). Το πρόβλημα, όμως, είναι ότι αυτές οι συσκευές συχνά πρέπει να βασίζονται σε μπαταρίες για την τροφοδοσία των ηλεκτρονικών τους. Η προσθήκη ενός WLAN NIC φορητού υπολογιστή μπορεί να καταναλώσει γρήγορα ενέργεια. Η ομάδα που εργάστηκε στο , αγωνίστηκε για την εξεύρεση λύσεων για να διατηρήσει την ισχύ της μπαταρίας; ωστόσο, βρήκαν τεχνικές που επιτρέπουν στις ασύρματες NIC να μεταβαίνουν σε καταστάσεις χαμηλότερης ενέργειας περιοδικά όταν δεν μεταδίδουν, μειώνοντας τον ρυθμό αποφόρτισης της μπαταρίας. Το MAC επίπεδο υλοποιεί λειτουργίες διαχείρισης ενέργειας(πχ θέτοντας έναν σταθμό σε κατάσταση sleep), με σκοπό την μείωση της κατανάλωση, όταν δεν γίνεται μετάδοση για κάποιο χρονικό διάστημα Το πρόβλημα όμως είναι ότι ένας σταθμός σε κατάσταση sleep μπορεί να χάσει κάποια σημαντική μετάδοση δεδομένων. Το πρότυπο λύνει αυτό το πρόβλημα με την ενσωμάτωση ρύθμισης για δημιουργία ουράς μηνυμάτων. Το πρότυπο καλεί τους σταθμούς που είναι σε κατάσταση sleep να αφυπνίζονται περιοδικά για να ανακτήσουν τα πιθανά μηνύματα. Εύρος Ζώνης: Η ζώνη ISM (βιομηχανική, επιστημονική, ιατρική) και spread spectrum(ss) δεν προσφέρουν μεγάλες ποσότητες εύρους ζώνης, κρατώντας την ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων χαμηλότερα απ' ότι είναι επιθυμητό για ορισμένες εφαρμογές. Ωστόσο, η ομάδα του ασχολήθηκε με τις μεθόδους για τη συμπίεση δεδομένων, την καλύτερη αξιοποίηση του εύρους ζώνης Ασφάλεια: Τα σήματα του ασύρματου τοπικού δικτύου (WLAN) μπορούν να ληφθούν μέσα σε μία συγκεκριμένη περιοχή και δεν χρειάζονται γαλβανική σύνδεση με ενσύρματα μέσα μετάδοσης όπως πχ συνεστραμένο ζεύγος καλωδίων, ομοαξονικό καλώδιο ή οπτική ίνα. Από άποψη εμπιστευτικότητας και μυστικότητας όμως, τα WLANs έχουν να προστατέψουν μια πολύ μεγάλη 16

19 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και περιοχή. Για να πετύχουν λοιπόν την επιθυμητή ασφάλεια, η ομάδα του συντόνισε τις εργασίες της με την επιτροπή του προτύπου , η οποία είναι υπεύθυνη για την ανάπτυξη των μηχανισμών ασφαλείας για όλα τα τοπικά δίκτυα 802. Αυτή η λύση για την ασφάλεια ενίσχυσε το το IEEE Διευθυνσιοδότηση: Η τοπολογία ενός ασύρματου δικτύου είναι δυναμική; ως εκ τούτου η διεύθυνση του προορισμού δεν αντιστοιχεί πάντα με την τοποθεσία του προορισμού. Αυτό θέτει προβλήματα κατά τη δρομολόγηση των πακέτων μέσω του δικτύου προς τον επιθυμητό προορισμό τους. Η σύσταση του IAPP (inter access point protocol) μέσω του προτύπου f λύνει αυτό το πρόβλημα Τοπολογία του Η τοπολογία του IEEE αποτελείται από στοιχεία, που αλληλεπιδρούν για να δημιουργήσουν ένα WLAN που επιτρέπει τη διαφανή κινητικότητα του σταθμού, σε υψηλότερα επίπεδα όπως είναι το LLC (logical link control).με τον όρο σταθμός καλείται οποιαδήποτε συσκευή περιέχει τη λειτουργικότητα του πρωτοκόλλου (πχ MAC επίπεδο, PHY επίπεδο, και διεπαφή σε ένα ασύρματο μέσο). Οι λειτουργίες του προτύπου κατοικούν σε έναν NIC, στο περιβάλλον εργασίας που οδηγεί το NIC και στα Access Points. Το πρότυπο του υποστηρίζει τις δύο παρακάτω τοπολογίες: 1.Δίκτυα ανεξάρτητου σύνολου υπηρεσιών (IBSS) 2. Δίκτυα εκτεταμένο σύνολου υπηρεσιών (ESS) Αυτά τα δίκτυα χρησιμοποιούν έναν βασικό δομικό στοιχείο του προτύπου που φέρει το όνομα BSS (basic service set), παρέχοντας μια περιοχή κάλυψης μέσα στην οποία οι σταθμοί του BSS παραμένουν πλήρως συνδεδεμένοι. Κάθε σταθμός μπορεί να κινηθεί ελεύθερα μέσα στο BSS, αλλά φεύγοντας από αυτό χάνει τη δυνατότητα επικοινωνίας με τους άλλους σταθμούς Το πρότυπο ορίζει το σύστημα διανομής (Distrubution System) ως ένα στοιχείο που διασυνδέει τα BSS μέσα στα ESS μέσω APs. Το DS υποστηρίζει τη κινητικότητα στο παρέχοντας υπηρεσίες που είναι απαραίτητες για να γίνει ο χειρισμός και η χαρτογράφηση διεύθυνσης- προορισμού και η αδιάκοπη ενσωμάτωση πολλών BSS. Ένα AP είναι ένα προσπελάσιμος σταθμός,που παρέχει τη διεπαφή προς το DS για σταθμούς που βρίσκονται σε διάφορους BSS. Τα ανεξάρτητα BSS και ESS δίκτυα διαφαίνονται στο LLC στρώμα. Το πρότυπο δεν περιορίζει τη σύνθεση του DS; ως εκ τούτου, μπορεί να είναι συμβατό με το 802 ή και κάποιο όχι συνηθισμένο δίκτυο. Εάν τα πλαίσια δεδομένων χρειάζονται μετάδοση από και προς κάποιο μη IEEE 802 τοπικό δίκτυο, τότε αυτά τα πλαίσια, όπως ορίζονται από το πρότυπο μπαίνουν και βγαίνουν μέσα από ένα λογικό σημείο που ονομάζεται πύλη (Portal). Η πύλη παρέχει μια λογική ενοποίηση μεταξύ των LANs και των LANs. Όταν το DS κατασκευάζεται με στοιχεία του 802, όπως πχ το (Ethernet) ή το (token ring), τότε η πύλη και το AP ενοποιούνται. Στην παρακάτω υποενότητα, όλα αυτά 17

20 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και εξηγούνται αναλυτικά Basic Service Set (BSS) To BSS είναι το θεμελιώδες δομικό στοιχείο της αρχιτεκτονικής Το BSS ορίζεται ως μια ομάδα σταθμών που βρίσκεται υπό τον άμεσο έλεγχο μιας ενιαίας λειτουργίας συντονισμού, δηλαδή, της κατανεμημένη λειτουργία συντονισμού (DCF) ή της σημειακής λειτουργίας συντονισμού (PCF). Η γεωγραφική περιοχή που καλύπτει το BSS είναι γνωστή ως βασική περιοχή υπηρεσιών (BSA), η οποία είναι ανάλογη με μια κυψέλη σε ένα κυψελοειδές σύστημα επικοινωνιών Σχήμα 2.2: Basic Service Set. Θεωρητικά, όλοι οι σταθμοί σε ένα BSS μπορούν να επικοινωνούν απευθείας με όλους τους άλλους σταθμούς σε ένα BSS. Ωστόσο, η υποβαθμισμένη μετάδοση, εξαιτίας της εξασθένησης πολλαπλών διαδρομών (multipath fading), ή οι παρεμβολές από κοντινά BSS που χρησιμοποιούν τα ίδια χαρακτηριστικά φυσικού επιπέδου (πχ η συχνότητα, ο κώδικας διάδοσης ή το σχέδιο μεταπήδησης) μπορεί να κάνει κάποιους σταθμούς κρυφούς από κάποιους άλλους. Ένα ad-hoc δίκτυο είναι μία σκόπιμη ομαδοποίηση σταθμών σε ένα ενιαίο BSS με σκοπό υποστήριξη των διαδικτυακών επικοινωνιών χωρίς την βοήθεια υποστηρικτικού δικτύου. Κάθε σταθμός μπορεί να εγκαταστήσει μια άμεση επικοινωνιακή συνεδρία με οποιονδήποτε άλλο σταθμό στο BSS, χωρίς να διοχετεύει τη κίνηση μέσω ενός κεντρικού AP. Η παρακάτω διαδικασία ακολουθείται όταν ξεκινάει ένα BSS: 1. Ένας σταθμός έχει ρυθμιστεί ως σταθμός εκκίνησης και του δίνεται μια ταυτότητα συνόλου υπηρεσιών (service set ID). 2. Ο σταθμός που ονομάζεται εκκινητής ξεκινάει τη μετάδοση. 3. Άλλοι σταθμοί στο IBSS θα ψάξουν το σύνολο υπηρεσιών για ένα SSID το οποίο ταιριάζει με το SSID που ψάχνουν, ενώ παράλληλα ελέγχουν τους σταθμούς βάσης για να αποκτήσουν τις πληροφορίες που απαιτούνται για την επικοινωνία. 4. Δεν μπορεί να υπάρξει άλλος σταθμός που να πάρει το όνομα εκκινητής Extended Service Set (ESS) Σε αντίθεση με το δίκτυο ad-hoc, τα δίκτυα υποστήριξης που έχουν δημιουργηθεί για να 18

21 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και παρέχουν στους χρήστες ασύρματων δικτύων με συγκεκριμένες υπηρεσίες και επέκταση του εύρους. Τα υποστηρικτικά δίκτυα, στο πλαίσιο του IEEE εγκαθίσταται με τη βοήθεια APs. Σχήμα 2.3: Extended Service Set Το AP είναι ανάλογο του σταθμό βάσης που υπάρχει σε ένα κυψελοειδές δίκτυο επικοινωνιών. Ακόμα, τα APs υποστηρίζουν την επέκταση του εύρους, παρέχοντας τα σημεία ενσωμάτωσης που είναι απαραίτητα για τη συνδεσιμότητα μεταξύ διαφορετικών BSS, σχηματίζοντας έτσι ένα εκτεταμένο σύνολο υπηρεσιών. Το ESS έχει την εμφάνιση ενός μεγάλου BSS στο στρώμα του LLC του κάθε σταθμού, ενώ αποτελείται από πολλά BSS που ενσωματώνονται μαζί σε ένα κοινό ESS χρησιμοποιώντας ένα κοινό DS. Το DS μπορεί να θεωρηθεί ως ένα δίκτυο κορμού το οποίο είναι υπεύθυνο για το μεταφορά δεδομένων του επιπέδου MAC. Το DS, όπως ορίζεται από το IEEE έχει ανεξάρτητη εφαρμογή. Ως εκ τούτου, του DS θα θα μπορούσε να βρίσκεται σε ένα ενσύρματο IEEE Ethernet LAN, σε ένα IEEE token ring LAN, σε ένα μητροπολιτικό δίκτυο που διασυνδέεται με οπτικές ίνες (FDDI MAN) ή σε κάποιο άλλο μέσο του Πρέπει να σημειωθεί, ότι ενώ το DS θα μπορούσε να είναι το ίδιο μέσο μετάδοσης σε φυσικό επίπεδο με το BSS, διαφέρουν στη λογική τους, καθώς το DS χρησιμοποιείται αποκλειστικά ως ο βασικός κορμός για τη μεταφορά πακέτων μεταξύ διαφορετικών BSS στο ESS. To ESS μπορεί να παρέχει επίσης και μια πύλη πρόσβασης σε χρήστες ενσύρματων δικτύων όπως πχ του Διαδικτύου. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω μια συσκευής που είναι γνωστή ως πύλη. Η πύλη είναι μια λογική οντότητα που προσδιορίζει το σημείο ενσωμάτωσης για το DS όπως το IEEE δίκτυο ενσωματώνεται με ένα μη δίκτυο. Εάν το δίκτυο αποτελεί μέρος της οικογένειας του 802, η πύλη ενσωματώνει λειτουργίες, ανάλογες με αυτές της γέφυρας, δηλαδή, παρέχει επέκταση του εύρους και μετάφραση μεταξύ διαφορετικών μορφών πλαισίων. Η παρακάτω διαδικασία ακολουθείται για να ξεκινήσει μία ESS 19

22 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και Το δίκτυο υποδομής αναγνωρίζεται από την δικιά του εκτεταμένη ταυτότητα συνόλου υπηρεσιών (ESSID). 2. Όλα τα APs θα οριστούν σύμφωνα με αυτήν την ESSID. Σχήμα2.4: ESS με ασύρματο δίκτυο διανομής 3. Στην εκκίνηση, θα κάνουν μια αίτηση για ανίχνευση, ώστε να εντοπίσουν το AP με την οποία θα συνδεθούν Πλαίσιο MAC Inter Frame Spacing Σχήμα 2.5: IEEE Interframe Space Στην παραπάνω εικόνα δίνεται το IFS (Διάστημα μεταξύ πλαισίων) που απαιτείται για το πλαίσιο MAC, ενώ στη συνέχεια δίνονται οι τιμές για διαφορετικά IFS. Κατηγοριοποιούνται ως εξής: Βραχύ διάστημα μεταξύ πλαισίων ή Shot Inter Frame Spacing (SIFS), εξαρτώμενο από το φυσικό επίπεδο (PHY) 20

23 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και PCF Inter Frame Spacing (PIFS) =SIFS+ χρονοθυρίδα DCF Inter Frame Spacing= PIFS + χρονοθυρίδα ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ (DCF) Το DCF είναι η βασική μέθοδος πρόσβασης που χρησιμοποιείται για να υποστηρίξει την ασύγχρονη μεταφορά δεδομένων με τη μέγιστη δυνατή επιμέλεια. Όπως ορίζουν οι προδιαγραφές, όλοι οι σταθμοί πρέπει να υποστηρίζουν το DCF. To DCF λειτουργεί αποκλειστικά στο δίκτυο ad-hoc, και είτε λειτουργεί μόνο, είτε συνυπάρχει με το PCF σε ένα δίκτυο υποδομής. Όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, το DCF βρίσκεται ακριβώς πάνω από το φυσικό επίπεδο και υποστηρίζει υπηρεσίες διεκδίκησης.οι υπηρεσίες διεκδίκησης υποστηρίζουν ότι κάθε σταθμός με MSDU προωθημένο για μετάδοση πρέπει να διεκδικήσει πρόσβαση στο κανάλι και, όταν το MSDU μεταδίδεται, πρέπει να διεκδικηθεί ξανά πρόσβαση στο κανάλι για όλα το επόμενα πλαίσια. Οι υπηρεσίες διεκδίκησης προωθούν τη δίκαια πρόσβαση στο κανάλι για όλους τους σταθμούς. Το DCF είναι βασισμένο στο CSMA/CA. Στο πρότυπο , η ανίχνευση του φορέα πραγματοποιείται τόσο σε διεπαφή αέρα, που αναφέρεται ως φυσική ανίχνευση φορέα και στο πλαίσιο MAC, που αναφέρεται ως εικονική ανίχνευση φορέα. Η φυσική ανίχνευση φορέα ανιχνεύει τη παρουσία άλλων IEEE WLAN χρηστών αναλύοντας όλα τα εντοπισμένα πακέτα και ανιχνεύει δραστηριότητα στο κανάλι μέσω σχετικής έντασης του σήματος από άλλες πηγές. Ένας σταθμός πηγή εκτελεί εικονική ανίχνευση φορέα στέλνοντας πληροφορίας διάρκειας MPDU στην κεφαλίδα του RTS (Request to Send), του CTS (Confirm to Send) και στα πακέτα δεδομένων. Μια MPDU είναι μια πλήρης μονάδα δεδομένων που μεταφέρεται από το στρώμα MAC στο φυσικό στρώμα. Περιέχει πληροφορίες της κεφαλίδας, ωφέλιμο υλικό και ένα 32-bit CRC. Το πεδίο διάρκειας υποδεικνύει το χρονικό διάστημα όπου μετά το τέλος του τρέχοντος πλαισίου, το κανάλι θα χρησιμοποιηθεί για την ολοκλήρωση της επιτυχούς μετάδοσης δεδομένων ή διαχείρισης του πλαισίου. Οι σταθμοί στην BSS χρησιμοποιούν τη πληροφορία στο πεδίο της διάρκειας για αν ρυθμίσουν τον φορέα κατανομής του δικτύου (NAV), ο οποίος δείχνει την ποσότητα του χρόνου που πρέπει να παρέλθει μέχρι η τρέχουσα μετάδοση να ολοκληρωθεί και το κανάλι να τεθεί ξανά σε κατάσταση αναμονής. Το κανάλι τίθεται σε κατάσταση αναμονής και είτε η φυσική είτε η εικονική ανίχνευση φορέα δείξει ότι το κανάλι είναι απασχολημένο. Η κατά προτεραιότητα πρόσβαση στο ασύρματο μέσο ελέγχεται μέσω της χρήσης των IFS χρονικών διαστημάτων μεταξύ της μετάδοσης των πλαισίων. Τα διαστήματα μετάδοσης του IFS έχουν υποχρεωτικές περιόδους αδράνειας στο μέσο μετάδοσης. Τρία διαστήματα μετάδοσης IFS καθορίζονται στο πρότυπο :το σύντομο IFS (SIFS), το PCF- IFS και το DCF-IFS. Το διάστημα του SIFS είναι το μικρότερο IFS, ακολουθούμενο από το PIFS και το DIFS. Οι σταθμοί που πρέπει να περιμένουν ένα SIFS έχουν πρόσβαση με προτεραιότητα, έναντι άλλων σταθμών που πρέπει να περιμένουν PIFS ή DIFS μέχρι να μεταδώσουν. Ως εκ τούτου, το SIFS έχει την υψηλότερη προτεραιότητα για πρόσβαση στο μέσο επικοινωνίας. Για τη βασική μέθοδο πρόσβασης, όταν ένας σταθμός αντιληφθεί ότι ένα κανάλι είναι σε αδράνεια, ο σταθμός περιμένει για μία περίοδο διάρκειας DIFS και στη συνέχεια, στέλνει δείγμα στο κανάλι ξανά. Αν το κανάλι είναι ακόμα σε 21

24 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και αδράνεια, ο σταθμός μεταδίδει μία MPDU. Ο σταθμός λήψης υπολογίζει το checksum (μέθοδος ελέγχου αθροίσματος) και καθορίζει εάν το πακέτο ελήφθη σωστά. Μετά τη λήψη του σωστού πακέτο, ο σταθμός που λαμβάνει περιμένει ένα διάστημα SIFS και στη συνέχεια μεταδίδει ένα θετικό πλαίσιο επιβεβαίωσης (ACK) πίσω στον σταθμό που αποστέλλει, υποδεικνύοντας ότι η μετάδοση ήταν επιτυχής. Όταν το πλαίσιο δεδομένων μεταδίδεται, το πεδίο της διάρκειας του πλαισίου χρησιμοποιείται για να ενημερώσει όλους τους σταθμούς στο BSS για το πόσο καιρό το μέσο θα είναι απασχολημένο. Σχήμα 2.6: Αρχιτεκτονική MAC Όλοι οι σταθμοί που ενημερώνονται για το πλαίσιο δεδομένων, καλούνται να ρυθμίσουν τον NAV, με βάση τη διάρκεια του πεδίου, η οποία περιλαμβάνει το διάστημα SIFS και το ACK μετά το πλαίσιο δεδομένων. Η αποφυγή σύγκρουσης του CSMA/CA γίνεται μέσω μιας τυχαίας διαδικασίας υποχώρησης. Αν ένας σταθμός είναι έτοιμος να μεταδώσει ένα πλαίσιο, αντιληφθεί ότι το κανάλι είναι απασχολημένο, τότε καλείται να περιμένει μέχρι το κανάλι να τεθεί πάλι σε αδράνεια για μια χρονική περίοδο DIFS, και κατόπιν υπολογίζει ένα τυχαίο χρόνο υποχώρησης. Για το IEEE , ο χρόνος χωρίζεται σε χρονοθυρίδες που αντιστοιχούν σε Slot_Time. Τα Slot_Time που χρησιμοποιούνται στο IEEE είναι πολύ μικρότερα από ένα MPDU και χρησιμοποιούνται για να καθορίσουν το IFS διάστημα μετάδοσης και να προσδιορίσουν τον χρόνο οπισθοχώρησης για τους σταθμούς στο CP. To Slot_Time είναι διαφορετικό για κάθε εφαρμογή στρώματος του φυσικού επιπέδου. Ο χρόνος τυχαίας οπισθοχώρησης είναι μια ακέραια τιμή που αντιπροσωπεύει τον αριθμό τον χρονοθυρίδων. Αρχικά, ο σταθμός υπολογίζει τον χρόνο οπισθοχώρησης μέσα στο εύρος 0-7. Αφού το μέσο τεθεί σε αδράνεια, μετά από χρονικό διάστημα DIFS, οι σταθμοί ελαττώνουν τον χρονοδιακόπτη οπισθοχώρησης, μέχρι το μέσο να ξαναγίνει απασχολημένο ή ο χρονοδιακόπτης να πάρει την τιμή μηδέν. Εάν ο χρονοδιακόπτης δεν φτάσει στο μηδέν και το μέσο γίνει απασχολημένο, ο σταθμός παγώνει τον χρονοδιακόπτη. Όταν τελικά η τιμή του φτάσει στο μηδέν, ο σταθμός μεταδίδει το πλαίσιο. Εάν ο χρονοδιακόπτης δύο η περισσότερων σταθμών μειωθεί στο μηδέν την ίδια χρονική στιγμή, τότε θα υπάρξει σύγκρουση, κάτι το οποίο οδηγεί σε χαμένα ACK. Έτσι, κάθε σταθμός θα πρέπει να δημιουργήσει ένα νέο χρόνο οπισθοχώρησης που αντιστοιχεί σε 0-63 (για b και 0-22

25 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και για a) φορές της περιόδου χρονοθυρίδας. Ο παραγόμενος χρόνος οπισθοχώρησης αντιστοιχεί σε ένα ομοιόμορφο κατανεμημένο ακέραιο πολλαπλάσιο της χρονοθυρίδας. Για την επόμενη προσπάθεια αναμετάδοσης, ο χρόνος οπισθοχώρησης αυξάνεται σε (για b και 0-63 για a) φορές της περιόδου χρονοθυρίδας και ούτω καθεξής με μέγιστο το εύρος Η περίοδος αδράνειας μετά από μια περίοδο DIFS αναφέρεται ως παράθυρο διεκδίκησης (CW). Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου πρόσβασης καναλιού είναι ότι προωθεί ισότητα μεταξύ των σταθμών. Η αδυναμία της όμως είναι ότι κατά πάσα πιθανότητα δεν θα μπορούσε να υποστηρίξει υπηρεσίες περιορισμένου χρόνου. Η δικαιοσύνη διατηρείται επειδή κάθε σταθμός πρέπει να ανταγωνιστεί ξανά για το κανάλι για κάθε μετάδοση ενός MSDU. Όλο οι σταθμοί έχουν ίσες πιθανότητες να αποκτήσουν πρόσβαση στο κανάλι μετά από κάθε διάστημα DIFS. Οι χρονικά προσδιορισμένες υπηρεσίες συνήθως υποστηρίζουν εφαρμογές όπως πχ φωνή ή βίντεο σε μορφή πακέτο, που πρέπει να διατηρείται με ελάχιστη καθυστέρηση. Με το DCF δεν υπάρχει κανένας μηχανισμός που να εγγυάται ελάχιστη καθυστέρηση σε σταθμούς που υποστηρίζουν χρονικά προσδιορισμένες υπηρεσίες RTS/CTS Αφού ένας σταθμός σε ένα BSS δεν μπορεί να ακούσει τις δικές του μεταδόσεις, όταν μία σύγκρουση συμβεί, η πηγή συνεχίζει να μεταδίδει τη πλήρης MPDU. Αν η MPDU είναι μεγάλη (πχ 2300 οκτάδες), ένα πολύ μεγάλο εύρος ζώνης του καναλιού χάνεται, λόγω της φθαρμένης MPDU. Τα πλαίσια ελέγχου RTS και CTS μπορούν να χρησιμοποιηθούν από ένα σταθμό για να εξασφαλίσουν εύρος ζώνης καναλιού πριν από τη μετάδοση μιας MPDU και για να ελαχιστοποιηθεί το ποσό του εύρους ζώνης που σπαταλιέται όταν συμβαίνουν συγκρούσεις. Τα πλαίσια ελέγχου είναι επίσης σχετικά μικρά (Το RTS είναι 20 οκτάδες και το CTS 14 οκτάδες) σε σύγκριση με το μέγιστο μέγεθος πλαισίου δεδομένων (2346 οκτάδες). Το RTS πλαίσιο ελέγχου είναι το πρώτο που μεταδίδεται από το σταθμό πηγή (μετά την επιτυχή μάχη για το κανάλι) με ένα πλαίσιο δεδομένων ή διαχείρισης στη ουρά για μετάδοση σε έναν καθορισμένο σταθμό προορισμού. Όλοι οι σταθμοί σε ένα BSS που αντιλαμβάνονται το πακέτο RTS, διαβάζουν το πεδίο διάρκειας και ορίζουν το NAV τους κατάλληλα.ο σταθμός προορισμού στο πακέτο RTS με ένα πακέτο CTS, μετά από χρονική περίοδο αδράνειας SIFS. Οι σταθμοί που αντιλαμβάνονται το CTS πακέτο ελέγχουν το πεδίο διάρκειας και ενημερώνουν το NAV τους επίσης. Μετά την επιτυχή λήψη του CTS, ο σταθμός πηγή είναι πρακτικά σίγουρος ότι το μέσο είναι σταθερό και εξασφαλίστηκε η επιτυχής μετάδοση της MPDU. Σημειώστε ότι οι σταθμοί είναι ικανοί να ενημερώνουν το NAV τους με βάση το RTS από το σταθμό πηγή και το CTS από το σταθμό προορισμού, το οποίο βοηθά στην καταπολέμηση του προβλήματος του κρυμμένου τερματικού. Οι σταθμοί μπορούν να επιλέξουν να μην χρησιμοποιήσουν ποτέ τα RTS/CTS, να τα χρησιμοποιήσουν όποτε το MSDU υπερβεί τη τιμή του RTS_Threshold (η οποία είναι ρυθμιζόμενη παράμετρος), ή να τα χρησιμοποιούν πάντα. Εάν συμβεί μια σύγκρουση με ένα RTS ή CTS MPDU, σπαταλιέται ένα πολύ μικρότερο εύρος ζώνης σε σύγκριση με έναν PDU πολλών δεδομένων. Ωστόσο, για ένα ελαφρώς φορτωμένο μέσο, η πρόσθετη καθυστέρηση επιβάλλεται από τα παραπάνω έξοδα των RTS/CTS πλαισίων. 23

26 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και Σχήμα 2.7: Μετάδοση Κατακερματισμένης MPDU Σημειακή Λειτουργία Συντονισμού (PCF) Το PCF είναι μια προαιρετική δυνατότητα, η οποία προσανατολίζεται στη σύνδεση και παρέχει μεταφορά πλαισίων χωρίς διεκδίκηση (CF). Το PCF βασίζεται σε έναν συντονιστή σημείου (PC) για την εκτέλεση κάποιων μετρήσεων, επιτρέποντας στους σταθμούς που μετράνε να μεταφέρουν δεδομένα χωρίς να συναγωνίζονται για το κανάλι. Η λειτουργία του PC εκτελείται από το AP μέσα σε μια BSS. Οι σταθμοί μέσα στο BSS που είναι ικανοί να λειτουργούν στην χρονική περίοδο CF (CFP) είναι γνωστοί ως σταθμοί με επίγνωση της CF. Το PCF απαιτείται να συνυπάρχει με το DCF και να βρίσκεται πάνω από το DCF, από σκοπιά λογικής. Το διάστημα επανάληψης CFP χρησιμοποιείται για να προσδιοριστεί η συχνότητα μέσα στην οποία εμφανίζεται το PCF. Μέσα στο διάστημα επανάληψης, ένα τμήμα του χρόνου κατανέμεται στη κινητικότητα του CF. Το διάστημα επανάληψης CFP εκκινείται με τη μετάδοση ενός πλαισίου από το AP. Μία από τις βασικές λειτουργίες του είναι ο συγχρονισμός. Η διάρκεια διαστήματος επανάληψης CFP είναι ρυθμιζόμενη παράμετρος, η οποία είναι πάντοτε ακέραιος αριθμός πλαισίων. Όταν ο ρυθμός το CFP έχει προσδιοριστεί, τότε καθορίζεται και η διάρκεια του. Το μέγιστο μέγεθος του CFP καθορίζεται από τη ρυθμιζόμενη παράμετρο CFP_Max_Duration. Η ελάχιστη τιμή του CFP_Max Duration είναι ο χρόνος που απαιτείται για να μεταδοθούν δύο MPDUs μέγιστου μεγέθους, συμπεριλαμβανομένων των εξόδων, του αρχικού πλαισίου μετάδοσης και του πλαισίου CF-End. Η μέγιστη τιμή του CFP_Max_Duration είναι η επανάληψη του CFP μείον το χρόνο που απαιτείται για την επιτυχή μετάδοση μιας MPDU μέγιστης διάρκειας. Σχήμα2.8: Συνύπαρξη PCF και DCF Ως εκ τούτου, ο χρόνος πρέπει να κατανεμηθεί έτσι ώστε ένα τουλάχιστον MPDU να μεταδοθεί κατά τη διάρκεια του CP. Εναπόκειται στο ΑΠ για να καθορίσει πόσο χρονικό 24

27 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και διάστημα να λειτουργήσει το CFP κατά τη διάρκεια κάθε διαστήματος επανάληψης. Εάν η κυκλοφορία είναι μικρή, το AP μπορεί να μειώσει το CFP και να παρέχει το υπόλοιπο του διαστήματος επανάληψης για το DCF. To CFP μπορεί να μειωθεί, εάν η κυκλοφορία DCF από το προηγούμενο διάστημα επανάληψης συνεχιστεί και στο τρέχον διάστημα. Η μέγιστη τιμή καθυστέρησης που μπορεί να προκύψει είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να μεταδοθεί μια χειραψία RTS/CTS συν τη μέγιστη MPDU και το αντίστοιχο ACK Σύνδεση Μετά τη σάρωση, ένας σταθμός πρέπει να συνδεθεί με ένα AP. Η επικοινωνία μεταξύ του AP και του δίδεται παρακάτω: 1. Ο σταθμός στέλνει πλαίσιο έρευνας (ενεργητική σάρωση) 2. Τα APs στέλνουν απάντηση στο πλαίσιο έρευνας. 3. Ο σταθμός επιλέγει το βέλτιστο AP 4. Ο σταθμός στέλνει αίτημα σύνδεσης 5. Το AP στέλνει απάντηση στο αίτημα σύνδεσης Πιστοποίηση Το πρότυπο IEEE ορίζει δύο τύπους υπηρεσίας ελέγχου: ανοιχτό σύστημα και κοινόχρηστο κλειδί. Η πιστοποίηση ανοιχτού συστήματος είναι η απλούστερη των διαθέσιμων αλγορίθμων. Ουσιαστικά πρόκειται για ένα μη έγκυρο αλγόριθμο πιστοποίησης. Κάθε σταθμός που αιτείται πιστοποίηση με τον αλγόριθμο, μπορεί να επικυρωθεί εάν ο παραλήπτης σταθμός έχει οριστεί να ανοίξει πιστοποίηση του συστήματος. Η πιστοποίηση κοινόχρηστου κλειδιού υποστηρίζει τον έλεγχο ταυτότητας των σταθμών είτε ως μέλος αυτών που γνωρίζουν ένα κοινό μυστικό κλειδί είτε αυτών που δεν γνωρίζουν. Η πιστοποίηση κοινόχρηστου κλειδιού του πρότυπου λειτουργεί χωρίς την ανάγκη για μετάδοση ενός μυστικού κλειδιού, απαιτώντας μόνο τη χρήση του WEP. Ως εκ τούτου, το εν λόγω σύστημα ελέγχου ταυτότητας είναι διαθέσιμο μόνο αν η WEP επιλογή υλοποιείται. Το απαιτούμενο μυστικό, διαμοιραζόμενο κλειδί θεωρείται ότι έχει παραδοθεί στους συμμετέχοντες σταθμούς μέσω ενός ασφαλούς καναλιού που είναι ανεξάρτητο από το πρότυπο IEEE Κατά τη διάρκεια της ανταλλαγής πιστοποίησης κοινόχρηστου κλειδιού, τόσο η πρόκληση όσο και η κρυπτογραφημένη πρόκληση μεταδίδονται. Σχήμα 2.9: Σύστημα Πιστοποίησης 25

28 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και Αυτό διευκολύνει τη μη εξουσιοδοτημένη ανακάλυψη της ψευδοτυχαίας ακολουθίας αριθμών (PRN) για το ζευγάρι κλειδιών (IV) που χρησιμοποιείται για την επικοινωνία. Ως εκ τούτου, το ίδιο ζευγάρι κλειδιών δεν συνίσταται να χρησιμοποιείται για τα επόμενα πλαίσια Συγχρονισμός Ο συγχρονισμός στο πρότυπο IEEE γίνεται με τη λειτουργία της συνάρτησης συγχρονισμού του μηνυμάτων σταθμού μετάδοσης. Χρησιμοποιείται για τα παρακάτω: Διαχείριση Ενέργειας: Τα μηνύματα του σταθμού μετάδοσης στέλνονται σε γνωστά χρονικά διαστήματα. Τα χρονόμετρα όλων το σταθμών στο BSS είναι συγχρονισμένα. Απόκτηση: Οι σταθμοί σαρώνουν τους σταθμούς μετάδοσης για να βρουν δίκτυα Συγχρονισμός Υπερπλαισίων. Ο χρονοδιακόπτης TSF χρησιμοποιείται για να προβλέψει την έναρξη της μετάδοσης μηνυμάτων χωρίς διεκδίκηση. Συγχρονισμός με το φυσικό επίπεδο Φυσικό Επίπεδο Τεχνικές Τέσσερις τεχνικές χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη του φυσικού επιπέδου του προτύπου Αυτές είναι: Η τεχνική FHSS, η τεχνική HR-DSSS (802.11b), η τεχνική OFDM και η τεχνική MIMO Τεχνική FHSS Η πρώτη και πολύ σημαντική τεχνική του προτύπου είναι η τεχνική εξάπλωσης φάσματος με συνεχή αλλαγή συχνότητας (FHSS). Σε αυτή τη τεχνική χρησιμοποιούνται 79 κανάλια, το καθένα με εύρος 1MHz ενώ η συχνότητα ξεκινάει από τα 2.4 GHz. Για τη δημιουργία των κατάλληλων συχνοτήτων, τις οποίες χρησιμοποιούν οι σταθμοί χρησιμοποιείται PRNG. Αν οι σταθμοί λειτουργούν με το ίδιο seed στο PRNG και υπάρχει συγχρονισμός, τότε θα μεταβαίνουν στις ίδιες συχνότητες. Η διάρκεια που κάθε σταθμός μένει σε μία συχνότητα ονομάζεται διάρκεια παραμονής (Dwell time). Το Dwell time είναι ρυθμιζόμενη παράμετρος, που όμως είναι μικρότερη από 400 ms. Η PRNG της FHSS προσφέρει έναν δίκαιο τρόπο για την καταχώρηση φάσματος στη ζώνη ISM. Εκτός από αυτό όμως, προσφέρει ασφάλεια για το χρήστη, αφού είναι δύσκολη η υποκλοπή των μεταδόσεων. Η FHSS διαθέτει επίσης αντοχή στο φαινόμενο της εξασθένησης πολλαπλών διαδρομών. Τέλος, διαθέτει ανθεκτικότητα στις παρεμβολές ραδιοκυμάτων. Το βασικό της όμως μειονέκτημα είναι το μικρό εύρος ζώνης. 26

29 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και Τεχνική OFDM (802.11a g) Το πρότυπο a είναι χρησιμοποιεί τη τεχνική OFDM, κυρίως λόγω της συμβατότητας που έχει με το Ευρωπαϊκό σύστημα HiperLan2. Παράλληλα αυτή η τεχνική έχει σημαντική αποδοτικότητα του φάσματος και καταφέρνει να αντιμετωπίσει τα προβλήματα εξασθένησης που επηρεάζουν τα σήματα. Χρησιμοποιούνται 52 διαφορετικές συχνότητες για την αποστολή. Από αυτές, οι 48 είναι για την πληροφορία και οι 4 για το συγχρονισμό του συστήματος. Παρόλο που και σε αυτή τη τεχνική γίνονται πολλαπλές μεταδόσεις, η τεχνική αυτή διαφέρει από τις τεχνικές εξάπλωσης φάσματος CDMA αλλά και FHSS. Η επιλογή της διαίρεσης του φάσματος προσφέρει πλεονεκτήματα σε σχέση με την χρήση μιας μόνο-ευρείας μεν- ζώνης. Σε αυτά συγκαταλέγονται η καλύτερη αντοχή σε παρεμβολές στενής ζώνης αλλά και η χρήση ζωνών που η μία βρίσκεται δίπλα στην άλλη. Η διάρκεια του κάθε συμβόλου είναι 4 μs και στέλνει 1,2,4 ή 7 bits. Χρησιμοποιείται κωδικοποίηση των bit για διόρθωση λαθών, με ένα δυαδικό συνελικτικό κώδικα, ώστε τα 1/2, 2/3, 3/4 από αυτά τα bits να μην θεωρούνται πλεονάζοντα. Για την κωδικοποίηση, χρησιμοποιείται ένα σύστημα που βασίζεται στη διαμόρφωση μετατόπισης φάσης. Σε ταχύτητες 54 Mbps, 216 bits δεδομένων κωδικοποιούνται σε σύμβολα των 288 bit. Το πρότυπο a μπορεί να πετύχει μέχρι και 8 διαφορετικούς ρυθμούς μετάδοσης, από 6 έως 54 Mbps. Ο ρυθμοί αυτοί είναι σημαντικά μεγαλύτεροι από αυτούς του προτύπου και συνάμα παρουσιάζουν λιγότερες παρεμβολές. Το πρότυπο g χρησιμοποιεί τη μέθοδο OFDM του a, με τη διαφορά όμως ότι λειτουργεί στη στενή ζώνη ISM των 2.4 Ghz όπως και το b. Επιτυγχάνει συμβατότητα με κοντινές συσκευές που χρησιμοποιούν το πρότυπο b αλλά και ρυθμούς μετάδοσης όπως του a (6Mbps έως 54 Mbps). Σχήμα 2.10: Τεχνική OFDM Τεχνική MIMO (802.11n) Παρόλο που το πρότυπο φάνηκε να έχει μεγάλη επιτυχία, η ομάδα ανάπτυξης του 27

30 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και IEEE ξεκίνησε να δουλεύει πάνω σε μία νέα παραλλαγή του προτύπου, η οποία θα πετύχαινε ακόμα μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης. Το τελικό αποτέλεσμα ήταν το πρότυπο n, το οποίο είχε στόχο την επίτευξη ταχύτητας πάνω από 100 Mbps. Τα κανάλια διπλασιάστηκαν από 20 σε 40 MHz ενώ μειώθηκαν οι επικεφαλίδες των πλαισίων. Το πρότυπο n χρησιμοποιεί τέσσερις κεραίες προσφέροντας πολύ μεγάλες ταχύτητες για ταυτόχρονη μετάδοση μέχρι τεσσάρων ροών δεδομένων, προσφέροντας πολύ μεγάλες ταχύτητες. Με τη χρήση της τεχνικής MIMO (Multiple Imput Multiple Output), τα σήματα διαχωρίζονται. Σημαντική βοήθεια όμως παρέχει και η τεχνική OFDM, με τη χρήση της οποία το πρότυπο n συγκαταλέγεται στις πιο σημαντικές ιδέες στο χώρο των επικοινωνιών και φαίνεται να πρωταγωνιστεί στον τομέα των ασύρματων δικτύων. Σχήμα 2.11: IEEE WLAN Standards Συμπεράσματα Το πρότυπο δημιουργήθηκε πριν από περίπου 15 χρόνια, πέρασε στη καθημερινότητα του κοινού και σήμερα μπορούμε να πούμε ότι είναι αναπόσπαστο κομμάτι των ασύρματων επικοινωνιών μας. Παράλληλα, οι συνεχείς εξελίξεις του βοηθούν ώστε να συνεχίσει να χρησιμοποιείται στη καθημερινότητα. Χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές κωδικοποίησης και μετάδοσης, βοήθησαν στη επίλυση σημαντικών δυσκολιών που είχαν στο παρελθόν οι χρήστες όπως η εμβέλεια αλλά και ο αριθμός χρηστών σε ένα δίκτυο. Παράλληλα, εξέλιξε και συνεχίζει να εξελίσσει τους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων, προσφέροντας στους χρήστες ταχύτητες που ξεπέρασαν κάθε προσδοκία, παρέχοντας συνάμα την απαραίτητη ασφάλεια, αφού οι μέθοδοι πιστοποίησης των χρηστών βοηθούν στην αντιμετώπιση των κακόβουλων επιθέσεων. Στην εποχή μας, το πρότυπο ΙΕΕΕ συνεχίζει να εξελίσσεται, με νέες εκδόσεις να βρίσκονται υπό δοκιμή και πολλά υποσχόμενα πρότζεκτ που θα συνεχίσουν να διατηρούν το πρότυπο στην αιχμή του δόρατος της τεχνολογίας. 2.2.WiMAX Εισαγωγή 28

31 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και Η ομάδα εργασίας του IEEE είναι η ομάδα του IEEE για τα ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα. Το πρότυπο IEEE ορίζει τις WIRELESS MAN προδιαγραφές διεπαφής αέρα (γνωστό και ως IEEE WirelessMAN πρότυπο). Αυτό το ασύρματο πρότυπο ευρυζωνικής πρόσβασης θα μπορούσε να αποτελέσει βασικό κομμάτι για συνδεσμολογία στα ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα. Η ασύρματη ευρυζώνικη πρόσβαση έχει συσταθεί όπως στα κυψελοειδή συστήματα, χρησιμοποιώντας σταθμούς βάσης που λειτουργούν σε μια ακτίνα χιλιομέτρων. Οι σταθμοί βάσης δεν πρέπει απαραίτητα να βρίσκονται σε πύργο. Τις περισσότερες φορές, η κεραία του σταθμού βάσης θα βρίσκεται στην ταράτσα ενός ψηλού κτιρίου ή σε άλλο υπερυψωμένο οικοδόμημα. Χρειάζεται μόνο ο απαραίτητος εξοπλισμός, όπως και με ένα σύστημα καλωδιακής τηλεόρασης, για να συνδεθεί ο σταθμός βάσης με έναν πελάτη. Το σήμα στη συνέχεια δρομολογείται μέσω ενός καλωδίου Ethernet, είτε απευθείας σε έναν υπολογιστή είτε σε ένα hotspot ή ένα ενσύρματο τοπικό δίκτυο Ethernet. Το ΙΕΕΕ έχει σχεδιαστεί να λειτουργεί σε φάσμα GΗz. Παράλληλα, καθορίζεται το φυσικό στρώμα ελέγχου και το στρώμα ελέγχου πρόσβασης (MAC) των συστημάτων BWA στη διεπαφή αέρα. Στην εύρος GHz η μετάδοση απαιτεί Lineof-Sight (LOS). Η ομάδα 16 του προτύπου IEEE 802 ειδικεύεται σε ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση πολλαπλών σημείων. Το πρότυπο παρέχει τις βάσεις για μια ασύρματη βιομηχανία MAN. Ωστόσο, το φυσικό στρώμα δεν είναι κατάλληλο για εφαρμογές χαμηλότερης συχνότητας, όπου απαιτείται η λειτουργία Non Line-of-Sight (NLOS). Για το λόγο αυτό, η IEEE δημοσίευσε το πρότυπο a για να υποστηρίξει τις απαιτήσεις για NLOS τον Απρίλιο του Το πρότυπο λειτουργεί σε αδειοδοτημένες και μη αδειοδοτημένες συχνότητες, από 2GHz μέχρι 11GHz και αποτελεί επέκταση του προτύπου Η ομάδα εργασίας του προτύπου IEEE δημιούργησε ένα νέο πρότυπο, κοινώς γνωστή ως WiMAX για την υποστήριξη της ασύρματης ευρυζωνικής πρόσβασης, σε χαμηλό και υψηλό κόστος, το οποίο είναι εύκολο να αναπτυχθεί και που αποτελεί μια επεκτάσιμη λύση για ένα οπτικό δίκτυο. Οι σταθμοί βάσης του WiMAX μπορούν να προσφέρουν μεγαλύτερη ασύρματη κάλυψη, της τάξης των 5 μιλίων. Παράλληλα η μετάδοση LOS εντός του εύρους ζώνης προσφέρει ταχύτητες έως 70Mbps. Το WiMAX υποστηρίζεται από την ίδια την βιομηχανία, αφού πολλές σημαντικές εταιρίες συμπεριλαμβανομένων των Intel, Dell, Motorola, AT&T, British Telecom, France Telecom, Siemens δημιούργησαν μια συμμαχία που ονομάζεται WiMAX Forum. Αντιπροσωπεύει την επόμενη γενιά της ασύρματης δικτύωσης. Σκοπός του WiMAX είναι να καλύψει το κενό μεταξύ ασύρματων τοπικών δικτύων και δικτύων ευρείας περιοχής. Τα συμβατά με το WiMAX συστήματα θα παρέχουν μια οικονομικά αποδοτική σταθερή ασύρματη εναλλακτική λύση αντί των συμβατικών καλωδιακών συστημάτων και DSL, ενώ θα προσφέρουν πρόσβαση σε περιοχές που τα καλωδιακά συστήματα δεν θα μπορούν να προσφέρουν. Η συνεχιζόμενη εξέλιξη του θα επεκτείνει το πρότυπο για την διευθυνσιοδότηση κινητών εφαρμογών, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα ευρυζωνικής πρόσβασης απευθείας στις φορητές συσκευές που υποστηρίζουν το WiMAX, οι οποίες μπορεί να είναι από smartphones, PDAs μέχρι laptops και tablets. 29

32 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και a Παρόλο που το πρότυπο αποτέλεσε τη βάση για τη δημιουργία του , το ίδιο δεν έφερε τα επιθυμητά αποτελέσματα για την ομάδα εργασίας του. Οι περισσότεροι χρήστες του εγκατέλειψαν τον εξοπλισμό τους και δεν προσπάθησαν να χρησιμοποιήσουν τα συστήματα πολλαπλών σημείων υψηλής συχνότητας που βασίζονται στο πρότυπο Παράγοντες πέραν του κόστους του εξοπλισμού (π.χ. η εγκατάσταση, τα δικαιώματα της χρήσης μιας στέγης, το κόστος του φάσματος) ήταν σημαντικοί παράγοντες που οδήγησαν στην αποτυχία των συστημάτων πολλαπλών σημείων υψηλής συχνότητας.. Σχήμα 2.12: Επισκόπηση των προτύπων του Στις αρχές του 2000, ξεκίνησε η εργασία σε μία αναθεώρηση του προτύπου σε συχνότητες μικρότερες των 11 GHz από την ομάδα εργασίας του IEEE. Η αναθεώρηση αυτή που ορίζεται ως a ενσωματώνει νέες επιλογές του συστήματος ραδιοζεύξης, καταλληλότερες για την υπηρεσία χαμηλής συχνότητας. Τελικά, με την ολοκλήρωση του, το πρότυπο a περιελάμβανε: Δυνατότητα εξυπηρέτησης NLOS. Πολλαπλές επιλογές διαμόρφωσης (Single Carrier, OFDM). Υλοποίηση σε αδειοδοτημένες και μη περιοχές. Ευέλικτο έλεγχο πρόσβασης και χαρακτηριστικά QoS (Quality of Service), συμπεριλαμβανομένου του TDM και υπηρεσιών πακέτων και εξελιγμένη ασφάλεια. Το πρότυπό IEEE a επιτρέπει στους χρήστες να έχουν ευρυζωνική συνδεσιμότητα χωρίς την ανάγκη οπτικής επαφής με το σταθμό βάσης. Το IEEE a προσδιορίζει τρεις προδιαγραφές διεπαφής αέρα. Παράλληλα δίνει τη δυνατότητα στους χρήστες να προσαρμόσουν το προϊόν τους ανάλογα με τις ανάγκες τους. Οι τρεις προδιαγραφές φυσικού στρώματος για το είναι: Wireless MAN-SC: το οποίο χρησιμοποιεί μια ενιαία μορφή διαμόρφωσης φορέα (Single Carrier). Wireless MAN-OFDM: το οποίο χρησιμοποιεί ορθογώνια πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας (OFDM) με FFT 256 σημείων. Αυτή η διαφοροποίηση είναι υποχρεωτική για μη αδειοδοτημένες συχνότητες. 30

33 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και Wireless MAN-OFDMA: που χρησιμοποιεί ορθογωνική διαίρεση συχνότητας πολλαπλής χρήσης (OFDMA) με FFT 2048 σημείων. Η πολλαπλή πρόσβαση παρέχεται με τη διευθυνσιοδότηση ενός υποσυνόλου των πολλαπλών φορέων σε μεμονωμένους δέκτες. Μια διορθωμένη και τροποποιημένη έκδοση του a (που ορίζεται ως REVd), ολοκληρώθηκε τον Ιούνιο του Το αρχικό προφίλ του WiMAX είναι ένα υποσύνολο του REVd WiMAX vs WLAN Σε αντίθεση με το WLAN, το WiMAX παρέχει ένα στρώμα MAC το οποίο χρησιμοποιεί ένα μηχανισμό αίτησης-παραχώρησης για να πιστοποιεί την ανταλλαγή δεδομένων. Αυτό το χαρακτηριστικό επιτρέπει την καλύτερη εκμετάλλευση των πόρων των ραδιοσυχνοτήτων, ιδίως με τις έξυπνες κεραίες, ενώ προσφέρει ανεξάρτητη διαχείριση της κυκλοφορίας του κάθε χρήστη. Αυτό απλοποιεί την υποστήριξη των εφαρμογών πραγματικού χρόνου και φωνής. Ένας λόγος που ανεστάλη η ευρεία εξάπλωση του WLAN ήταν η κακή λειτουργία των πρώτων εκδόσεων. Τέλος, το WiMAX προτείνει μια πλήρη σειρά χαρακτηριστικών ασφαλείας για την εξασφάλιση ασφαλής ανταλλαγής δεδομένων: Πιστοποίηση μέσω τερματικού με την ανταλλαγή πιστοποιητικών για την πρόληψη από κακόβουλες συσκευές. Πιστοποίηση χρήστη, χρησιμοποιώντας το Πρωτόκολλο Ελέγχου Ταυτότητας. Κρυπτογράφηση των δεδομένων, χρησιμοποιώντας το Πρότυπο Κρυπτογράφησης Δεδομένων (DES) ή το Προηγμένο Πρότυπο Κρυπτογράφησης Δεδομένων (AES), όπου και τα δύο θεωρούνται ισχυρότερα από το WEP που χρησιμοποιήθηκε αρχικά στο WLAN. Επιπλέον, κάθε υπηρεσία θα κρυπτογραφείται με δικό της σύστημα ασφάλειας αλλά και ιδιωτικά κλειδιά WiMAX vs Wi-Fi Το πρότυπο WiMAX λειτουργεί με τις ίδιες βασικές αρχές του Wi-Fi- στέλνει δεδομένα από έναν υπολογιστή σε έναν άλλο μέσω ραδιοσημάτων. Ένας υπολογιστής (είτε σταθερός είστε φορητός) με εξοπλισμένο το WiMAX, θα δεχόταν δεδομένα από τον WiMAX σταθμό εκπομπής, πιθανών χρησιμοποιώντας κρυπτογραφημένα κλειδιά δεδομένων για τη αποφύγει της υποκλοπής από μη εξουσιοδοτημένους χρήστες. Η γρηγορότερη σύνδεση Wi-Fi μπορεί να μεταφέρει μέχρι 54Mbps κάτω από ιδανικές συνθήκες. Το WiMAX θεωρητικά μπορεί να μεταφέρει μέχρι 70Mbps το δευτερόλεπτο. Ακόμα και όταν τα 70Mbps χωριστούν σε δεκάδες επιχειρήσεις ή εκατοντάδες οικιακούς χρήστες, θα παρέχει τουλάχιστον ισοδύναμο ποιότητα μετάδοσης με αυτή του συμβατικού ενσύρματου modem. Η μεγαλύτερη διαφορά όμως δεν είναι η ταχύτητα, αλλά η απόσταση. Η απόσταση κάλυψης του WiMAX ξεπερνάει αυτή του Wi-Fi κατά μίλια, αφού το WiMAX παρέχει κάλυψη 50 χιλιομέτρων έναντι 30m του Wi-Fi. Η αυξημένη οφείλεται στις συχνότητες που χρησιμοποιούνται και στην ισχύ του πομπού. Φυσικά, σε τόσο μεγάλες αποστάσεις, το έδαφος, ο καιρός, η κτιριακή δομή πιθανόν να μειώσουν τη μέγιστη εμβέλεια σε 31

34 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και ορισμένες περιπτώσεις. Οι δυνατότητες όμως το WiMAX για κάλυψη μεγάλων αποστάσεων παραμένουν μεγάλες. Το WiMAX δεν έχει σχεδιαστεί για να έρθει σε σύγκρουση με το Wi-Fi, αλλά για να συνυπάρξει με αυτό. Η κάλυψη του WiMAX μετριέται σε τετραγωνικά χιλιόμετρα ενώ του Wi-Fi σε τετραγωνικά μέτρα. Το αρχικό πρότυπο WiMAX (IEEE ) προτείνει τη χρήση των GHz φάσματος συχνοτήτων για τη μετάδοση. Το Wi-Fi όμως χρησιμοποιεί φάσμα συχνοτήτων μέχρι τα 5GHz. Η προσθήκη της επέκτασης a παρείχε υποστήριξη και για τη ζώνη συχνοτήτων 2-11 GΗz. Ένας σταθμός WiMAX μπορεί να προσεγγιστεί από περισσότερους από 60 χρήστες. Τέλος, το WiMAX μπορεί επίσης να προσφέρει υπηρεσίες μετάδοσης. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές, το WiMAX παρέχει επίσης πολύ καλύτερες συνθήκες από το Wi-Fi, παρέχοντας μεγαλύτερο εύρος ζώνης και υψηλή ασφάλεια με τη χρήση ενισχυμένων συστημάτων κρυπτογράφησης. Το WiMAX παρέχει επίσης υπηρεσίες σε θέσεις LOS αλλά και NLOS, με διαφορές βέβαια στην ποιότητα. Επίσης, το WiMAX παρέχει στήριξη για την παροχή ευρυζωνικών υπηρεσιών VoIP, βίντεο και πρόσβαση στο Internet ταυτόχρονα. Παράλληλα, μπορεί να λειτουργήσει με υπάρχοντα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας. Οι κεραίες WiMAX μπορεί να μοιράζεται έναν πύργο-κυψέλη, χωρίς να θέτει σε κίνδυνο την λειτουργία των κυψελών που ήδη εφαρμόζεται Δίκτυα Πλέγμα Το πρότυπο IEEE WiMAX παρέχει ένα μηχανισμό για τη δημιουργία ενός δικτύου-πλέγματος πολλαπλών μεταπηδήσεων, το οποίο μπορεί να αναπτυχθεί ως ένα υψηλής ταχύτητας ασύρματο δίκτυο ευρείας κάλυψης. Πέρα από την απλή παροχή ενός ενιαίου πρόσβασης μέσω μεταπήδησης σε μια ευρυζωνική ISP, η τεχνολογία WiMAX μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ενός ασύρματου δικτύου ευρείας κάλυψης. Η μετατροπή του WiMAX σε έναν δίκτυο με δομή πλέγματος, δεν αυξάνει μόνο την ασύρματη κάλυψη, αλλά παρέχει χαρακτηριστικά όπως χαμηλότερο κόστος ανάπτυξης και επανασχεδιασμού του δικτύου μεταφοράς. Διάφορα σενάρια ανάπτυξης περιλαμβάνουν ασύρματη κάλυψη σε όλη την πόλη, δυνατότητα συνδεσιμότητας 3G RNC με τους σταθμούς βάσης κ.α. Εκτός από την μεταβίβαση από σημεία σε πολλαπλό σημείο απλής μεταπήδησης (single hop IEEE PMP), το πρότυπο IEEE a ορίζει τα βασικά ζητήματα σηματοδότησης και δομών μηνυμάτων για την δημιουργία μιας σύνδεσης πλέγματος. Στη συνέχεια, οι προδιαγραφές της έκδοσης πλέγματος ενσωματώθηκαν στην αναθεώρηση IEEE Παρά το γεγονός ότι το WiMAX απλής μεταπήδησης προσφέρει ευελιξία για την επίτευξη του QoS, σε ζητήματα μετάδοσης δεδομένων, η επίτευξη του ίδιου σε καταστάσεις πολλαπλής μεταπήδησης ήταν μια πρόκληση. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα ήταν αντιμετώπιση της παρεμβολής από τη μετάδοση των γειτονικών κόμβων WiMAX. Ο σχεδιασμός διασταύρωσης και βελτιστοποίησης των στρωμάτων κατάφερε να βελτιώσει την απόδοση της ασύρματης επικοινωνίας και αλλά και των δικτύων κινητής τηλεφωνίας. Οι παρεμβολές στα ασύρματα συστήματα είναι από τους πιο σημαντικούς παράγοντες που περιορίζουν την ικανότητα του δικτύου και την επεκτασιμότητα των ασύρματων δικτύων πλέγματος. Η εξέταση των συνθηκών παρεμβολής κατά την 32

35 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και κατανομή των ασύρματων πόρων και του σχηματισμού της διαδρομής έχει επιπτώσεις στο σχεδιασμό των ταυτόχρονων συστημάτων μεταφοράς, με καλύτερη αξιοποίηση του φάσματος, περιορίζοντας ταυτόχρονα την αμοιβαία παρεμβολή. Μια νεοσυσταθείσα ομάδα εντός του , η επιτροπή ad-hoc δικτύων πλέγματος, διερευνά τρόπους για τη βελτίωση της κάλυψης των σταθμών βάσης ακόμα περισσότερο. Η δικτύωση πλέγματος επιτρέπει στα δεδομένα να μεταπηδούν από σημείο σε σημείο παρακάμπτοντας εμπόδια. Μόνο μια μικρή ποσότητα της δομής πλέγματος απαιτείται για τη μεγάλη βελτίωση στην κάλυψη ενός σταθμού βάσης. Σε σύγκριση με τα πρότυπα a/b/g με βάση το πλέγμα, το WiMAX πλέγμα παρέχει διάφορα πλεονεκτήματα εκτός από αυξημένη εμβέλεια και μεγαλύτερο εύρος ζώνης. Η μέθοδος TDMA στο σύστημα WiMAX πολλαπλών μεταπηδήσεων παρέχει εξαιρετικό έλεγχο των πόρων ραδιοσυχνοτήτων. Παράλληλα, αυτός ο μηχανισμός προγραμματισμού επιτρέπει την βέλτιστη κατανομή του διαθέσιμου χρόνου, το οποίο παρέχει συνολική αποτελεσματική αξιοποίηση πόρων για σταθερό ασύρματο δίκτυο. Ωστόσο, η παρεμβολή παραμένει μείζον ζήτημα για το σύστημα αυτό. Με σκοπό την παροχή βέλτιστης χρήσης φάσματος, ένας αποδοτικός αλγόριθμος για την κατανομή του διαθέσιμου χρόνου είναι απαραίτητος, έτσι ώστε να μεγιστοποιηθούν οι ταυτόχρονες μεταδόσεις δεδομένων στο πλέγμα. Το επίπεδο της παρεμβολής εξαρτάται από το πως τα δεδομένα δρομολογούνται στο δίκτυο WiMAX. Στην IEEE λειτουργία δικτύου πλέγματος, τα μηνύματα ρύθμισης του δικτύου (MSH-NCFG) και εισόδου στο δίκτυο (MSH-NENT) χρησιμοποιούνται για διευθυνσιοδότηση του δικτύου πλέγματος και για τη βοήθεια των νέων κόμβων για το συγχρονισμό και την ένταξη στο δίκτυο-πλέγμα. Οι ενεργοί κόμβοι μέσα στο δίκτυο στέλνουν περιοδικά μηνύματα MSH-NCFG στο δίκτυο περιγραφής, το οποίο περιγράφει τις βασικές πληροφορίες ρύθμισης παραμέτρων δικτύου όπως τον αριθμό ταυτότητας ενός σταθμού βάσης και το κανάλι που χρησιμοποιείται. Ένας νέος κόμβος που σκοπεύει να ενταχθεί στο δίκτυο, ελέγχει για ενεργεία δίκτυα και ακούει το μήνυμα MSH-NCFG. Ο νέος κόμβος συγχρονίζεται και στη συνέχεια ξεκινάει η διαδικασία ένταξης στο δίκτυο με βάση τις πληροφορίες του MSH-NCFG. Μεταξύ όλων των δυνατών γειτόνων που έστειλα MSH-NCFG (ο οποίος ονομάζεται υποψήφιος κόμβος-cn) διαλέγει έναν κόμβο υπεύθυνο για αυτόν με το οποίο θα συνδεθεί. Στη συνέχεια στέλνεται έναν MSH-NENT στον υποψήφιο κόμβο που εντάσσεται στο πλέγμα. Το επίπεδο MAC του δικτύου πλέγματος υποστηρίζει κεντρικό προγραμματισμό αλλά και μοιρασμένο προγραμματισμό. Συγκεντρωτικό σύστημα πλέγματος χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ευρυζωνικών συνδέσεων στο πλέγμα υψηλής ταχύτητας, όπου ο BS του πλέγματος συντονίζει την κατανομή πόρων των ραδιοσυχνοτήτων εντός του δικτύου πλέγματος. Στο συγκεντρωτικό σύστημα, κάθε SS του πλέγματος υπολογίζει και στέλνει αίτημα για πόρους στον BS του πλέγματος. Ο BS του πλέγματος καθορίζει το μέγεθος των πόρων που χορηγείται για κάθε συνδεσμολογία και επικοινωνεί. Η διαδικασία αίτησης και χορήγησης στέλνει μήνυμα συγκεντρωτικού προγραμματισμού του πλέγματος (MSHCSCH). 33

36 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και Σχήμα 2.13: Γενική Δομή Δικτύου Πλέγματος Με το μήνυμα MSH-CSCH: Αίτηση, στέλνεται μήνυμα για τις δυνατότητες του SS. Στην συνέχεια, αφού υπολογιστούν οι απαιτήσεις πόρων στέλνεται μήνυμα MSH-CSCH: Χορήγηση. Για τη διάδοση των πληροφοριών σύνδεσης, κόμβου αλλά και νέου συστήματος διευθυνσιοδότησης, στέλνεται το μήνυμα MSH-CSCF από το BS του πλέγματος και στη συνέχεια αναμεταδίδεται από τους ενδιάμεσους κόμβους Ασύρματες Υπηρεσίες Το πρότυπο μπορεί να προσφέρει δυο μορφές ασύρματης υπηρεσίας: Υπάρχει η υπηρεσία NLOS, 'οπού μια μικρή κεραία στον συνδρομητή υπολογιστή συνδέεται με το πύργο. Σε αυτή τη λειτουργία, το WiMAX χρησιμοποιεί ένα χαμηλότερο εύρος συχνοτήτων, 2GHz έως 11 GHz (παρόμοια με το Wi-Fi). Οι μεταδόσεις μικρότερου μήκους κύματος δεν διασπώνται τόσο εύκολα με φυσικά εμπόδια- είναι δυνατές να περιθλαστούν, να κινηθούν γύρω από εμπόδια. Υπάρχει η υπηρεσία LOS, οπού υπάρχει επικοινωνία της κεραίας με τον πύργο του WiMAX απευθείας. Η LOS μεταδόσεις χρησιμοποιούν υψηλότερες συχνότητες, που φτάνουν μέχρι τα 66 GHz. Σε υψηλότερες συχνότητες υπάρχει λιγότερη παρέμβαση και περισσότερο εύρος ζώνης. Η πρόσβαση επιπέδου Wi-Fi θα πρέπει να περιορίζεται σε μια ακτίνα 3-6 μιλίων (περίπου 25 τετραγωνικά μίλια ή 65 τετραγωνικά χιλιόμετρα της 34

37 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και κάλυψης, η οποία είναι παρόμοια σε έκταση με μια ζώνη κινητού τηλεφώνου). Μέσα από τις ισχυρότερες κεραίες LOS, ο σταθμός στέλνει πληροφορία σε υπολογιστές και router με τη δυνατότητα υποστήριξης WiMAX, μέσα σε ακτίνα πομπού 30 μιλίων (2800 τετραγωνικά μίλια ή 9300 τετραγωνικά χιλιόμετρα κάλυψης). Αυτό είναι που επιτρέπει στο WiMAX να πετύχει μέγιστη εμβέλεια Υποδομή WiMAX Σχήμα 2.14: Τρόπος Λειτουργίας του WiMAX Συνήθως, ένα σύστημα WiMAX αποτελείται από: Τον σταθμός βάσης (BS) WiMAX. Ο σταθμός βάσης αποτελείται από εσωτερική ηλεκτρονική εγκατάσταση και έναν πύργο WiMAX. Συνήθως, ένας σταθμός βάσης WiMAX μπορεί να καλύψει έως και 10Km ακτίνα (θεωρητικά, μπορεί να καλύψει έως και 50 km ακτίνα, ωστόσο για πρακτικούς λόγους η τιμή έχει περιοριστεί στα 10 km). Κάθε ασύρματος κόμβος εντός της περιοχής κάλυψης θα είναι σε θέση να έχει πρόσβαση στο Internet. Έναν δέκτη WiMAX. Ο δέκτης και η κεραία θα μπορούσαν να είναι ένα αυτόνομο κουτί ή μια κάρτα PC που βρίσκεται στο laptop ή τον υπολογιστή. Η πρόσβαση στο σταθμό βάσης WiMAX είναι παρόμοια με την πρόσβαση σε ένα ασύρματο AP σε ένα δίκτυο Wi-Fi, αλλά με μεγαλύτερη κάλυψη. Τη πύλη ASN (Δίκτυα υπηρεσίας πρόσβασης) που συνήθως λειτουργεί ως άθροισμα κίνησης επιπέδου 2 σε ένα ASN. Οι πρόσθετες λειτουργίες που μπορεί να είναι μέρος της πύλης ASN περιλαμβάνουν τη διαχείριση της τοποθεσίας και των ασυρμάτων πόρων, τον έλεγχο αποδοχής, την προσωρινή αποθήκευση των προφίλ των συνδρομητών καθώς και τα κλειδιά κρυπτογράφησης. Τέλος, φροντίζει για τη διαχείριση της κινητικότητας με τους σταθμούς βάσης. Το CSN (Δίκτυο υπηρεσίας συνδεσιμότητας) που παρέχει συνδεσιμότητα στο Internet, 35

38 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και στο ASP και σε άλλα δημόσια δίκτυα. Το CSN ανήκει στο NSP και περιλαμβάνει διακομιστές που υποστηρίζουν τον έλεγχο ταυτότητας για τις συσκευές, τους χρήστες καθώς και συγκεκριμένες υπηρεσίες. Το CSN παρέχει επίσης διαχείριση του QoS ανά χρήστη και ασφάλεια. Τέλος, είναι υπεύθυνο για τη διαχείριση της διεύθυνσης IP, την υποστήριξη για την περιαγωγή μεταξύ διαφορετικών NSP, την διαχείρισης της τοποθεσίας, της κινητικότητας και της περιαγωγής μεταξύ ASNs. Αρκετοί σταθμοί βάσης μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους με τη χρήση υψηλής ταχύτητας σύνδεσης μικροκυμάτων. Αυτό επιτρέπει την περιαγωγή από έναν συνδρομητή WiMAX, από ένα σταθμό βάσης σε μια άλλη περιοχή σταθμούς βάσης. Η λογική αυτή είναι παρόμοια με αυτή της περιαγωγής που χρησιμοποιείται στην κινητή τηλεφωνία. Πολλές επιλογές τοπολογίας αλλά και μετάδοσης δεδομένων πρέπει να υποστηρίζονται στους σταθμούς βάσης του WiMAX: Ενσύρματη μετάδοση δεδομένων (συνήθως Ethernet), μικροκυμματική σύνδεση από σημείο σε σημείο και μετάδοση δεδομένων WiMAX. Σχήμα 2.15: Δομή του δικτύου WiMAX IP Αρχιτεκτονική του Δικτύου WiMAX Οι προδιαγραφές δικτύου για συστήματα βασισμένα στο WiMAX, στηρίζονται σε διάφορες αρχές της αρχιτεκτονικής του δικτύου, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που αναφέρονται παρακάτω. Μερικές αρχές έχουν γνώμονα την ανάπτυξη του Mobile WiMAX δικτύου. Οι αρχιτεκτονική περιλαμβάνει τα ακόλουθα: Παροχή λογικού διαχωρισμού μεταξύ των εν λόγω διαδικασιών και IP διευθυνσιοδότησης, δρομολόγησης αλλά και των διαδικασιών διαχείρισης διαδικασιών και πρωτοκόλλων που επιτρέπουν τη χρήση των πρωταρχικών αρχιτεκτονικών πρόσβασης σε αυτόνομα αλλά και συνεργατικά σενάρια ανάπτυξης. Υποστήριξη για ανταλλαγή ASN του NAP (Δικτύου Πρόσβασης Παρόχου) μεταξύ πολλών NSPs (Πάροχοι υπηρεσιών δικτύων), παρέχοντας υπηρεσίες σε πολλαπλούς ASN με τη διαχείριση τους να γίνεται από έναν ή περισσότερα NAP. Υποστήριξη για την ανακάλυψη και την επιλογή των προσβάσιμων NSP από ένα MS ή SS Υποστήριξη των NAP που απασχολούν μία ή περισσότερες τοπολογίες ASN. Υποστήριξη της πρόσβασης στις υποχρεωτικές υπηρεσίες φορέα μέσω λειτουργιών 36

39 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και δικτύωσης, όπως απαιτείται. Καθορισμών των ανοικτών και καλά καθορισμένων σημείων αναφοράς μεταξύ των διαφόρων ομάδων των διάφορων τμημάτων του δικτύου (μέσα σε ένα ASΝ, μεταξύ ενός ASN και ενός CSN και μεταξύ CSN) Υποστήριξη για εξέλιξη διαδρομών μεταξύ των διάφορων μοντέλων χρήσης που υπόκεινται σε λογικές τεχνικές παραδοχές και περιορισμούς Ενεργοποίηση διαφορετικών εφαρμογών πωλητή που βασίζονται σε διαφορετικούς συνδυασμούς των λειτουργικών ενοτήτων σε ένα δίκτυο φυσικού επιπέδου, εφόσον αυτές οι εφαρμογές συμμορφώνονται με τις διαδικασίες και τους κανόνες πρωτοκόλλων που εφαρμόζονται σε όλα τα σημεία αναφοράς, όπως ορίζεται στις προδιαγραφές του δικτύου. Υποστήριξη και για το πιο απίθανο σενάριο ενός ενιαίου φορέα που χρησιμοποιεί ένα ASN μαζί με ένα περιορισμένο σύνολο των λειτουργιών CSN, έτσι ώστε ο πάροχος να μπορεί να προσφέρει τις βασικές υπηρεσίες πρόσβασης στο Internet χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η περιαγωγή ή η διασυνεργασία Η αρχιτεκτονική WiMAX επιτρέπει επίσης τόσο IP όσο και Ethernet υπηρεσίες, πρότυπο κινητού δικτύου IP. Η ευελιξία και η διαλειτουργικότητα που υποστηρίζονται από το δίκτυο WiMAX παρέχουν διαχείριση με εφαρμογές πολλαπλών πωλητών, χαμηλού κόστους, ακόμα και με μία μικρή ανάπτυξη κατανεμημένων και κεντρικών ASN στο δίκτυο. Το δίκτυο WiMAX έχει τα ακόλουθα βασικά χαρακτηριστικά: Ασφάλεια: Η αρχιτεκτονική του δικτύου WiMAX βασίζεται σε ένα πλαίσιο ασφάλεια που είναι άγνωστο στους φορείς που χειρίζονται και στην ASN τοπολογία και εφαρμόζεται με συνέπεια όλη τη δομή διαδικτύωση, μοντέλων ανάλυσης αλλά και στα διάφορα σενάρια που χρησιμοποιούνται. Συγκεκριμένα, υπάρχει υποστήριξη για: 1. Ισχυρή αμοιβαία πιστοποίηση συσκευών μεταξύ του MS και του δικτύου WiMAX, με βάση το πλαίσιο ασφαλείας IEEE Όλοι οι συνήθεις αναπτυσσόμενοι μηχανισμοί ελέγχου ταυτότητας, στο οικείο δίκτυο ή σε επισκεπτόμενο βασίζονται σε ένα συνεπές και επεκτάσιμο πλαίσιο ελέγχου ταυτότητας. 3. Ακεραιότητα των δεδομένων, προστασία, εμπιστευτικότητα και λειτουργία με βάση μόνο τα ισχύοντα μήκη κλειδιών 4. Η χρήση του MS ξεκινά/ λήγει μηχανισμούς ασφαλείας VPN (εικονικά ιδιωτικά δίκτυα) 5. Πρότυπους μηχανισμούς ασφαλής διαχείρισης IP μεταξύ του MS/SS και των οικείων αλλά και επισκεπτόμενων NSPs Κινητικότητα και Handover: Η αρχιτεκτονική του δικτύου WiMAX διαθέτει εκτεταμένη δυνατότητα να υποστηρίξει την κινητικότητα και τα Handover (μεταπομπές).πιο συγκεκριμένα: 1. Συμπεριλαμβάνονται vertical handovers αλλά και handovers διαφορετικής τεχνολογίας- πχ.χ, Wi-Fi, 3GPP, 3GPP2, DSL, MSO όταν μια τέτοια δυνατότητα είναι ενεργοποιημένη σε έναν MS με πολλούς κόμβους 2. Υποστήριξη IPv4 ή IPv6 με βάση τη διαχείριση της κινητικότητας. Στο πλαίσιο αυτό 37

40 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και και ανάλογα με την περίπτωση, η αρχιτεκτονική θα φιλοξενήσει MS με πολλές διευθύνσεις και ταυτόχρονα IPv4 και IPv6 συνδέσεις. 3. Υποστήριξη περιαγωγής μεταξύ NSPs 4. Χρησιμοποιούνται μηχανισμοί για την υποστήριξη απρόσκοπων μεταπομπών σε ταχύτητες που να φτάνουν αυτές των οχημάτων Μερικές από τις πρόσθετες δυνατότητες υποστήριξης της κινητικότητας περιλαμβάνουν την υποστήριξη των: 1) Δυναμικής και στατικής διαμόρφωσης διεύθυνσης οικείας, 2) Δυναμική εκχώρηση του πράκτορα οικείας στο δίκτυο παροχής υπηρεσιών, ως μια μορφή βελτιστοποίησης των δρομολογίων, καθώς επίσης και στο τοπικό IP δίκτυο ως μια μορφή εξισορρόπησης φορτίου και 3) Δυναμική εκχώρηση του πράκτορα οικείας βάσει των πολιτικών. Επεκτασιμότητα, αύξηση κάλυψης και επιλογή χειριστή: Η αρχιτεκτονική του δικτύου WiMAX έχει εκτεταμένη υποστήριξη για επεκτάσιμη λειτουργία και ευελιξία του χειριστή. Πιο συγκεκριμένα: 1. Επιτρέπει στο χρήστη να επιλέξει χειροκίνητα ή αυτόματα από τα διαθέσιμα NAPs και NSPs. 2. Επιτρέπει στα συστήματα σχεδιασμού των ASN και CSN να μεταβάλλουν τις ανάγκες τους εύκολα προς τα πάνω ή προς τα κάτω, όσον αφορά την κάλυψη, το εύρος και τη χωρητικότητα 3. Διαθέτει μια ποικιλία από τοπολογίες ASN- συμπεριλαμβανομένου της hub-and spoke αρχιτεκτονικής, της ιεραρχικής και διασυνδέσεις πολλαπλών μεταβάσεων 4. Διαθέτει μαι ποικιλία από ζεύξεις μετάδοσης, τόσο ενσύρματων όσο και ασύρματων με διαφορετική χαρακτηριστικά καθυστέρησης και μετάδοσης δεδομένων. 5. Υποστηρίζει σταδιακή ανάπτυξη των υποδομών 6. Υποστηρίζει σταδιακή εισαγωγή των υπηρεσιών IP που προσφέρουν σταδιακά αύξηση του αριθμού των ενεργών και ταυτόχρονα την ποιότητα των IP υπηρεσιών ανά χρήστη 7. Υποστηρίζει την ένταξη σταθμών βάσης διαφορετικής έκτασης και ικανότητας- για παράδειγμα -πολύ μικρών, μικρών και μεγάλων σταθμών βάσης 8. Υποστηρίζει ευέλικτη αποσύνθεση και ενοποίηση των λειτουργιών του δικτύου ASN λειτουργιών σε ένα ανεπτυγμένο ASN δίκτυο, προκειμένου να καταστεί δυνατή η χρήση των τεχνικών load balancing (εξισορρόπησης φορτίου) για την αποτελεσματική χρήση του ραδιοφάσματος και των πόρων του δικτύου Πρόσθετα χαρακτηριστικά που σχετίζονται με τη διαχείριση και την απόδοση της αρχιτεκτονικής του WiMAX δικτύου περιλαμβάνουν: Υποστήριξη μιας ποικιλίας από online και offline τρόπους υποστήριξης πελατών, εγγραφής κλπ. Επίσης, δημιουργούνται συστήματα διαχείρισης που βασίζονται σε ανοικτά και εύκολα στην ανάπτυξη IP βιομηχανικών πρότυπων. Διευκόλυνση υπηρεσιών υψηλών επιπέδων για το τερματικό του MS, καθώς και πρόβλεψη και αναβάθμιση του λογισμικού του Διευκόλυνση χρήσης της κεφαλίδα συμπίεσης/αποσυμπίεσης και/ή συμπίεση του φόρτου για αποτελεσματική χρήση των πόρων των ραδιοσυχνοτήτων WiMAX Ποιότητα Υπηρεσιών (QoS) Η αρχιτεκτονική του δικτύου WiMAX έχει διατάξεις για τη στήριξη των μηχανισμών QoS. Ειδικότερα, επιτρέπει ευέλικτη υποστήριξη της ταυτόχρονης χρήσης των διάφορων 38

41 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και υπηρεσιών IP. Η αρχιτεκτονική υποστηρίζει: 1. Διαφορετικά επίπεδα QoS, μεγαλύτερης εμβέλειας (ανά χρήστη/ τερματικό) ή μικρότερης εμβέλειας (ανά ροή υπηρεσιών ανά χρήστη/τερματικό). 2. Έλεγχος εισόδου. 3. Διαχείριση εύρους ζώνης. Γίνεται εκτεταμένη χρήση των μηχανισμών IETF του προτύπου για τη διαχείριση του ορισμού της πολιτικής και της επιβολής της μεταξύ των φορέων Κινητό WiMAX (Mobile WiMAX) Εισαγωγή Η τεχνολογία WiMAX, με βάση το IEEE πρότυπο διεπαφής αέρα εξελίσσεται ραγδαία, αποδεικνύοντας ότι είναι μια τεχνολογία που θα διαδραματίσει καίριο ρόλο σε ασύρματα ευρυζωνικά μητροπολιτικά δίκτυα. Το πρώτο εργαστήριο πιστοποίησης, εγκατεστημένο στο CETECOM Labs στη Μάλαγα, είναι πλήρως λειτουργικό και πάνω από 150 δοκιμές βρίσκονται σε εξέλιξη στην Ευρώπη, Ασία, Αφρική και Βόρεια και Νότια Αμερική. Αναμφισβήτητα, το πρότυπο WiMAX ΙΕΕΕ και η διεπαφή αέρα του έχουν αποδειχθεί ως μια οικονομικώς αποδοτική ασύρματη εναλλακτική λύση, έναντι των DSL υπηρεσιών και της καλωδιακής. Το Δεκέμβριο του 2005, η IEEE e πιστοποίησε την τροποποίηση του προτύπου Αυτή η τροπολογία προσθέτει τα χαρακτηριστικά στο πρότυπο που είναι απαραίτητα για την υποστήριξη της κινητικότητας. Το WiMAX Forum έχει ένα σύστημα που καθορίζει την απόδοση και την πιστοποίηση με βάση το πρότυπο- τροποποίηση IEEE e. Πέρα από τη διεπαφή αέρα, το WiMAX Forum καθορίζει την αρχιτεκτονική του δικτύου που είναι αναγκαία για την εφαρμογή ενός WiMAX δίκτυο απ'άκρη σ'άκρη. Τα συστήματα του Mobile WiMAX προσφέρουν επεκτασιμότητα στην τεχνολογία ασύρματης πρόσβασης και αρχιτεκτονικής δικτύου, παρέχοντας έτσι μεγάλη ευελιξία σε επιλογές ανάπτυξης του δικτύου και στις προσφερόμενες υπηρεσίες. Μερικά χαρακτηριστικά που υποστηρίζει το Mobile WiMAX είναι: Υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων: Η χρήση της τεχνικής κεραίας MIMO μαζί με ευέλικτα προγράμματα υπο-καναλοποίησης, προχωρημένη κωδικοποίηση και διαμόρφωση δίνουν τη δυνατότητα στη τεχνολογία Mobile WiMAX να υποστηρίξει δεδομένα αιχμής DL εώς και 63 Mbps ανά τομέα αιχμής. Επίσης χρησιμοποιεί δεδομένα αιχμής UL μέχρι 28 Mbps ανά τομέα σε ένα κανάλι 10MHz. Quality of Service (QoS): Η θεμελιώδης δομή της MAC αρχιτεκτονικής Ορίζει τις ροές υπηρεσιών οι οποίες μπορούν να χαρτογραφήσουν τα σημεία του κώδικα DiffServ που επιτρέπουν το IP QoS απ'άκρη σ'άκρη. Επιπλέον, τα συστήματα υποκαναλοποίησης παρέχουν έναν ευέλικτο μηχανισμό για τον βέλτιστο προγραμματισμό του χώρου, της συχνότητας και της διάρκεια των πόρων στην διεπαφή αέρα. Επεκτασιμότητα: Παρόλο που σήμερα έχουμε όλο και πιο παγκοσμιοποιημένη οικονομία, οι πάροι του ραδιοφάσματος για ασύρματες ευρυζωνικές επικοινωνίες σε όλο τον κόσμο εξακολουθούν να είναι ανόμοιες σε όλο το φάσμα τους. Η τεχνολογία Mobile 39

42 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και WiMAX, έχει ως εκ τούτου σχεδιαστεί για να είναι σε θέσει να αναβαθμίσει τη λειτουργία καναλιού από 1.25 έως 20 MHz, προκειμένου να συμβαδίζει με τις ποικίλες απαιτήσεις σε όλο τον κόσμο με σκοπό την επίτευξη αρμονικού φάσματος σε όλο τον κόσμο, μακροπρόθεσμα. Αυτό δίνει επίσης τη δυνατότητα σε διαφορετικές οικονομίες να αποκτούν πολύπλευρα οφέλη της τεχνολογίας Mobile WiMAX, ανάλογα με τις συγκεκριμένες γεωγραφικές ανάγκες τους, όπως πχ η παροχή οικονομικά προσιτής πρόσβασης στο internet σε αγροτικές περιοχές, σε σχέση με την ενίσχυση της ποιότητας της κινητής ευρυζωνικής πρόσβασης σε μετρό και προαστιακές περιοχές. Ασφάλεια: Υποστήριξη ενός διαφορετικού συνόλου διαπιστευτηρίων χρήστη, συμπεριλαμβανομένων των καρτών SIM/USIM, των έξυπνων καρτών, των Ψηφιακών πιστοποιητικών καθώς και τα συστήματα Username/Password. Κινητικότητα: Το Mobile WiMAX υποστηρίζει βελτιωμένα συστήματα παράδοσης με καθυστέρηση λιγότερο των 50 ms για την εξασφάλιση λειτουργίας εφαρμογών πραγματικού χρόνο, όπως τη VoIP. Τα συστήματα διαχείρισης ευέλικτου κλειδιού διαβεβαιώνουν ότι η ασφάλεια διατηρείται κατά της διάρκεια της παράδοσης Περιγραφή Φυσικού Επιπέδου Το WiMAX θα πρέπει να είναι σε θέση να παρέχει αξιόπιστη υπηρεσία σε μεγάλες αποστάσεις σε πελάτες που χρησιμοποιούν εσωτερικά τερματικά ή κάρτες PC (αντίστοιχες με τις κάρτες WLAN). Οι απαιτήσεις αυτές, με περιορισμένη ισχύ εκπομπής για να συμμορφωθούν με τις απαιτήσεις, θα περιορίσουν τον προϋπολογισμό συνδεσμολογίας. Η τεχνική υπο-καναλιού στο upling και οι έξυπνες κεραίες στο σταθμό βάσης πρέπει να ξεπεράσουν αυτά τα εμπόδια. Το σύστημα WiMAX βασίζεται σε ένα νέο φυσικό επίπεδο καθώς και επίπεδο MAC για να υποστηριχθούν όλες οι απαιτήσεις που οδηγούνται από τις εφαρμογές. Η διαμόρφωση του φυσικού στρώματος βασίζεται σε OFDMA, σε συνδυασμό με ένα κεντρικό στρώμα MAC για βελτιστοποίηση της κατανομής των πόρων και την υποστήριξη του QoS για διαφορετικά είδη υπηρεσιών (VoIP, υπηρεσίες πραγματικού και μή χρόνου). Το στρώμα OFDMA PHY είναι καλά προσαρμοσμένο στο περιβάλλον διάδοσης NLOS στο περιοχή συχνοτήτων 2-11 GHz. Η λειτουργία του είναι αποδοτική όταν πρόκειται για το χειρισμό της πιθανής καθυστέρησης που προκαλείσαι από τις αντανακλάσεις του NLOS. Μαζί με τη διαμόρφωση προσαρμογής, η οποία εφαρμόζεται σε κάθε συνδρομητή ξεχωριστά, ανάλογα με την ικανότητα του ασύρματου καναλιού, το OFDMA μπορεί να παρέχει μια υψηλή φασματική απόδοση περίπου 3-4 bits/s/hz. Ωστόσο, σε αντίθεση με την απλή διαμόρφωση φορέα, το σήμα OFDMA έχει αυξημένη κορυφή, μέσο τιμή αναλογίας και αυξημένες απαιτήσεις ακρίβεια συχνότητας. Ως εκ τούτου, η επιλογή των κατάλληλων ενισχυτών ισχύος και τεχνικών ανάκτησης συχνότητας είναι μέγιστης σημασίας. Το WiMAX παρέχει ευελιξία όσον αφορά το κανάλι, τη φέρουσα συχνότητα και την αμφίδρομη λειτουργία (TDD και FDD) να πληρούν μια σειρά απαιτήσεων για τους διαθέσιμους πόρους ραδιοφάσματος και συγκεκριμένων υπηρεσιών Δομή Πλαισίου TDD Το φυσικό επίπεδο του ε υποστηρίζει τα TDD,FDD και Half Duplex FDD. 40

43 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και Ωστόσο, η αρχική έκδοση πιστοποίησης του Mobile WiMAX περιλαμβάνει μόνο TDD. Με τις συνεχείς κυκλοφορίες, το FDD θα εξεταστεί από το WiMAX Forum για την αντιμετώπιση συγκεκριμένων ευκαιριών της αγοράς όπου οι τοπικές ρυθμιστικές απαιτήσεις φάσματος είτε απαγορεύουν το TDD είτε θεωρούν πιο κατάλληλο το FDD. Για να αντιμετωπίσει τα ζητήματα παρεμβολών, το TDD απαιτεί ολόκληρο το σύστημα συγχρονισμού. Παρ'όλα αυτά, είναι μια προτιμότερη χρήση για τους παρακάτω λόγους: 1. Το TDD επιτρέπει τη ρύθμιση της αναλογίας uplink/downlink για το αποτελεσματική υποστήριξη της ασύμμετρης κίνησης uplink/downlink, ενώ με το FDD έχουμε πάντα σταθερό και ίσο DL και UL εύρος ζώνης. 2. Το TDD εξασφαλίζει κοινή χρήση του καναλιού για την υποστήριξη της προσαρμογής ζεύξης, του MIMO αλλά και άλλων προηγμένων τεχνολογιών κεραίες κλειστού βρόγχου. 3. Σε αντίθεση με το FDD, το οποίο απαιτεί ένα ζευγάρι καναλιών, το TDD απαιτεί μόνο ένα κανάλι, τόσο για uplink όσο και για downlink, παρέχοντας έτσι μεγαλύτερη ευελιξία για την προσαρμογή σε ποικίλες παγκόσμιες κατανομές φάσματος. 4. Τα σχέδια του πομποδέκτη για TDD υλοποιήσεις είναι λιγότερο πολύπλοκα και ως εκ τούτου λιγότερο ακριβά Περιγραφή στρώματος MAC Το πρότυπο αναπτύχθηκε εξαρχής για την παροχή ευρυζωνικών υπηρεσιών, συμπεριλαμβανομένων των υπηρεσιών φωνής, δεδομένων και βίντεο. Το στρώμα MAC βασίζεται στο πρότυπο χρόνου DOCSIS και μπορεί να υποστηρίξει μεγάλη κίνηση δεδομένων με υψηλό ρυθμό αιχμής, ενώ ταυτόχρονα υποστηρίζει λειτουργίες stream για βίντεο, αλλά και φωνή με αισθητήρα πιθανής καθυστέρησης, στο ίδιο κανάλι. Οι πόροι που διατίθενται σε ένα τερματικό από τον προγραμματιστή MAC μπορεί να ποικίλουν από μια μόνο χρονοθυρίδα έως ένα ολόκληρο πλαίσιο, παρέχοντας έτσι ένα μεγάλο δυναμικό εύρος απόδοσης σε συγκεκριμένο τερματικό χρήστη σε κάθε δεδομένη στιγμή. Επιπλέον, δεδομένου ότι οι πληροφορίες κατανομής πόρων μεταφέρονται στα μηνύματα MAP στην αρχή κάθε πλαισίου, ο προγραμματιστής μπορεί να αλλάξει ουσιαστικά την κατανομή των πόρων σε κάθε πλαίσιο ώστε να προσαρμοστούν στις μεγάλες αλλαγές της κίνησης. Κάθε ασύρματο δίκτυο λειτουργεί ουσιαστικά σε ένα κοινό μέσο και έτσι απαιτείται ένας μηχανισμός για τον έλεγχο της πρόσβασης από συνδρομητές στο μέσο. Το πρότυπο a χρησιμοποιεί ένα TDMA πρωτόκολλο με θυρίδες, το οποίο έχει προγραμματιστεί από το BTS για την κατανομή της χωρητικότητας στους συνδρομητές σε μια τοπολογία από σημείο σε πολλαπλό σημείο. Ενώ αυτό αρχικά ακούγεται κάτι όχι ιδιαίτερα σημαντικό, πρακτικά έχει τεράστιο αντίκτυπο στη λειτουργία του συστήματος και στις υπηρεσίες που μπορεί να χρησιμοποιήσει. Ξεκινώντας με μια προσέγγιση με TDMA με έξυπνο προγραμματισμό, τα συστήματα WiMAX θα είναι σε θέση να παραδώσουν όχι μόνο δεδομένα υψηλής ταχύτητας με SLAs (συμφωνία σε επίπεδο υπηρεσιών), αλλά θα μπορούν να υποστηρίξουν λειτουργίες με αισθητήρα πιθανής καθυστέρησης, δηλαδή εικόνα και βίντεο. Το πρότυπο παρέχει QoS πέρα από την απλή ιεράρχηση, μια τεχνική που είναι πολύ περιορισμένη σε αποτελεσματικότητα ως προς το φορτίο κίνησης και την αύξηση του αριθμού των συνδρομητών. Το στρώμα MAC στα συστήματα WiMAX έχει σχεδιαστεί για να αντιμετωπίσει το δύσκολο περιβάλλον του 41

44 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και φυσικού επιπέδου όπου οι παρεμβολές, η γρήγορη εξασθένηση και άλλα φαινόμενα είναι συχνά σε εξωτερικούς χώρους. Διαχείριση Ενέργειας: Το Mobile WiMAX υποστηρίζει δύο τρόπους για την ενεργειακά αποδοτική λειτουργία αδράνειας και αναμονής. Η λειτουργία αδράνειας είναι μια κατάσταση κατά την οποία το MS διαθέτει χρονικές περιόδους που θα απέχει από την διεπαφή αέρα του σταθμού βάσης εξυπηρέτησης. Αυτοί οι περίοδοι χαρακτηρίζονται από μη διαθεσιμότητα του MS, σύμφωνα με το σταθμό βάσης εξυπηρέτησης, για κίνηση DL και UL. Η κατάσταση αναμονής στοχεύει στην ελαχιστοποίηση της χρήση ενέργειας από το MS αλλά και την ελαχιστοποίηση της χρήσης των πόρων της διεπαφής αέρα του σταθμού βάσης εξυπηρέτησης. Η κατάσταση αναμονής παρέχει επίσης ευελιξία για άλλα MS, έτσι ώστε να σαρώσουν άλλα BS για τη συλλογή πληροφοριών για να βοηθήσουν στη μεταπομπή κατά τη διάρκεια της κατάστασης αναμονής. Σχήμα 2.16: MAC πλαίσιο στο Η κατάσταση αδράνειας παρέχει ένα μηχανισμό για το MS, έτσι ώστε να γίνει περιοδικά διαθέσιμο για DL μετάδοσης κίνησης χωρίς την απαραίτητη εγγραφή σε ένα σταθμό βάσης, καθώς το MS διασχίζει ένα περιβάλλον διεπαφής αέρα που αποτελείται από πολλούς σταθμούς βάσης. Η κατάσταση αδράνειας ωφελεί το MS για την κατάργηση της υποχρέωσης για μεταπομπή και για άλλες λειτουργίες. Παράλληλα, βοηθάει το δίκτυο και το σταθμό βάσης με την εξάλειψη της κίνησης στο δίκτυο και στη διεπαφή αέρα. Αυτό γίνεται με την αφαίρεση των ανενεργών MS από την κίνηση, δίνοντας τους όμως και την δυνατότητα να ειδοποιούνται σε περίπτωση που αναμένεται κάποια πληροφορία για αυτά. Μεταπομπή: Η ομάδα μελέτης της μεταπομπής στο IEEE 802 είναι άλλη μία ομάδα που έχει δημιουργηθεί με σκοπό την αντιμετώπιση της περιαγωγής που μελετά τις μεταπομπές στα 802 ετερογενή δίκτυα. Το κλειδί εδώ είναι να επιτρέπονται οι διαδικασίες μεταπομπής που επιτρέπουν σε μια φορητή συσκευή να αλλάζει τη σύνδεση της από ένα σταθμό βάσης σε έναν άλλο (όπως πχ από b στο ) ή ακόμα από 42

45 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και ασύρματο ή Ο στόχος είναι να τυποποιηθεί η διαδικασία μεταπομπής όσο οι συσκευές μετακινούνται από ένα δίκτυο σε ένα άλλο. Σήμερα, οι χρήστες του μπορούν να κινούνται γύρω από ένα κτίριο ή ένα hotspot και να μένουν συνδεδεμένοι, αλλά αν φύγουν, θα χάσουν τη σύνδεση τους. Με το e οι χρήστες θα είναι σε θέση να μένουν συνδεδεμένοι είτε στο , είτε στο , σε περίπτωση που φύγουν από την περιοχή κάλυψης του. Επιπλέον, έχοντας ένα πρότυπο που λύνει το πρόβλημα της κάλυψης, δίνει την ευκαιρία στους σχεδιαστές των δικτύων να εστιάσουν στον σχεδιασμό συγκεκριμένων συστημάτων και όχι στην ανάπτυξη μιας ολόκληρης λύσης απ'άκρη σ'άκρη. Έτσι, είναι εφικτό για παράδειγμα ένας φορητός υπολογιστής να είναι συνδεδεμένος σε ένα δίκτυο Ethernet ή αλλά και να είναι συνδεδεμένος σε ένα δίκτυο κατά την περιαγωγή στην πόλη Ασφάλεια Το Mobile WiMAX υποστηρίζει καλύτερα χαρακτηριστικά ασφάλειας υιοθετώντας τις βέλτιστες διαθέσιμες τεχνολογίες του σήμερα. Υπάρχει υποστήριξη για κοινή συσκευή ταυτοποίησης χρήστη, διαχείριση πρωτοκόλλου ευέλικτου κλειδιού, ισχυρή κρυπτογράφηση έλεγχο και διαχείριση, προστασία μηνυμάτων και βελτίωση πρωτοκόλλου ασφάλειας για γρήγορες μεταπομπές. Οι διάφορες πτυχές χρήσης της ασφάλειας είναι: Βασικό Πρωτόκολλο Διαχείρισης: Πρόκειται για τη βάση της ασφάλειας του Mobile WiMAX όπως καθορίζεται στο e. Αυτό το πρωτόκολλο διαχειρίζεται της ασφάλεια MAC, χρησιμοποιώντας κρυπτογράφηση κυκλοφορίας ελέγχου, ασφαλή μετάδοση του κλειδιού. Η ασφάλεια των μηνυμάτων ευρείας και πολλαπλής εκπομπής βασίζονται σε αυτό το πρωτόκολλο. Πιστοποίηση Χρήστη/ Συσκευής: Το Mobile WiMAX υποστηρίζει τη πιστοποίηση χρήστη/συσκευής χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο IETF EAP, παρέχοντας υποστήριξη για πιστοποίηση με βάση τη SIM τη USIM, τα ψηφιακά πιστοποιητικά ή τη λογική Όνομα Χρήστη/ Κωδικός Χρήστη. Κρυπτογράφηση Κυκλοφορίας: Πρόκειται για τεχνικές κρυπτογράφησης που χρησιμοποιούνται για την προστασία όλων των δεδομένων του χρήστη μέσω της διεπαφής MAC του Mobile WiMAX. Τα κλειδιά που χρησιμοποιούνται για την καθοδήγηση του κρυπτογράφησης παράγονται από τον έλεγχο ταυτότητας EAP. Μία συσκευή κρυπτογράφησης της κυκλοφορίας έχει ένα περιοδικό κλειδί που ανανεώνεται μέσω ενός μηχανισμού, το οποίο επιτρέπει την παρατεταμένη μετάβαση των κλειδιών για την περαιτέρω βελτίωση της προστασίας. Υποστήριξη γρήγορης Παράδοσης της Κίνησης: Το πρότυπο Mobile WiMAX υποστηρίζει ένα σύστημα χειραψία τριών βημάτων για τη βελτιστοποίηση των μηχανισμών επανελέγχου της ταυτότητας, ώστε να πετύχουμε γρήγορες μεταπομπές. Αυτός ο μηχανισμός είναι επίσης χρήσιμος για την αποφυγή επιθέσεων τύπου man-in the-middle Συμπεράσματα Το WiMAX προσφέρει οφέλη σε χρήστες που θέλουν να έχουν πρόσβαση σε μεγάλη έκταση, σε οποιοδήποτε σημείο του χάρτη. Το e προσφέρει μείωση του κόστους 43

46 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στις Τεχνολογίες και στις εταιρίες κινητής τηλεφωνίας που επιθυμούν να προσφέρουν ευρυζωνικές υπηρεσίες IP παράλληλα με 2G ή 3G και επιτρέπει στους επιχειρηματίες να εισέλθουν σε νέες αγορές με ανταγωνιστικές υπηρεσίες. Παράλληλα, η κεφαλαιουχική δαπάνη για τον εξοπλισμό του WiMAX θα είναι μικρότερη από ότι για τα παραδοσιακά ασύρματα δίκτυα 2G και 3G, αν και θα εξακολουθεί να είναι αναγκαία η υποδομή που παρέχουν. 44

47 Κεφάλαιο 3 Κυψελοειδή Δίκτυα: UMTS Κεφάλαιο 3: Κυψελοειδή Δίκτυα: UMTS 3.1.Εισαγωγή Σχεδόν όλοι σήμερα φαίνεται να κατέχουν τουλάχιστον μια κινητή συσκευή. Η ανάπτυξη της ιδιοκτησίας τηλεφώνου οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στην βελτίωση της ποιότητας των ψηφιακών ραδιοφωνικών υπηρεσιών. Μια κινητή, μεγάλης χωρητικότητας παγκόσμια υποδομής τεχνολογία άλλαξε τη πρόσωπο της κινητής τηλεφωνίας. Το UMTS, έκανε τη δυνατότητα λήψης δεδομένων φωνής αλλά και ανταλλαγής πολυμέσων με ευρυζωνικό τρόπο, πραγματικότητα. Σε πάρα πολλές χώρες, η χρήση των κινητών συσκευών έχει ήδη υπερβεί το 95 τοις εκατό του πληθυσμού. Ο αριθμός των χρηστών κινητών επικοινωνιών έχει ξεπεράσει τον αριθμό των γραμμών σταθερού δικτύου σε πολλές χώρες. Παράλληλα, ο αριθμός των χρηστών του Διαδικτύου έχει αυξηθεί κατακόρυφα τα τελευταία χρόνια, ενώ η κίνηση δεδομένων διπλασιάζεται σχεδόν κάθε έξι μήνες. Δεδομένου αυτών των ποσοστών ανάπτυξη, η υποστήριξη του διαδικτύου από την τεχνολογία UMTS έχει μεγίστη σημασία στην υποστήριξη των σύγχρονων επικοινωνιών υψηλού εύρους ζώνης 3.2.Τρεις Γενιές Κινητών Επικοινωνιών Η πρώτη γενιά (1G)-αναλογικά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας: Αυτή η τεχνολογία δεν χρησιμοποιείται παρά μόνο σε ελάχιστα μέρη του κόσμου σήμερα, που στερούνται τα χαρακτηριστικά των σύγχρονων ψηφιακών δικτύων. Επειδή τα δεδομένα πρέπει να προσαρμοστούν για αναλογική μετάδοση χρησιμοποιώντας ένα μόντεμ, τα αναλογικά εισάγουν κάποιες απώλειες και απαιτούν εντατική διαχείριση. Επιπρόσθετα, η κίνηση των δεδομένων κινητής τηλεφωνίας αυξάνεται με πολύ ταχύτερο ρυθμό απ'ότι τα δεδομένα φωνής, πράγμα που σημαίνει ότι τα δίκτυα αυτά αυτά δεν είναι κατάλληλα για μετάδοσης πολυμέσων. Η δεύτερη γενιά (2G)- ψηφιακά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας: Η διαφορά μεταξύ αναλογικών και ψηφιακών δίκτυων είναι ότι με τα ψηφιακά δίκτυα, οι χρήστες έχουν εγγυημένα υψηλή ποιότητα ομιλίας. Η δεύτερη γενιά άνοιξε τη πόρτα σε μια σειρά από υπηρεσίες δεδομένων όπως ηλεκτρονικό ταχυδρομείο, αποστολή μηνυμάτων κειμένου (SMS) και σύνδεση με υπολογιστή. Επιπλέον οι χρήστες μπορούν να εκμεταλλευτούν χαρακτηριστικά όπως η προώθηση κλήσεων και η διεθνής περιαγωγή. Το δίκτυο GSM είναι το πλέον χαρακτηριστικό παράδειγμα μιας δεύτερες γενιάς κινητού ραδιοδικτύου. Η τρίτη γενιά (2.5G και 3G)- ψηφιακά ευρυζωνικά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας: Η πρώτη φάση ανάπτυξης των ευρυζωνικών κινητών επικοινωνιών είναι το 2.5G, δηλαδή ένα ενδιάμεσο βήμα που βασίζεται στις τεχνολογίες 2G. Οι βασικές τεχνολογίες εδώ είναι το GPRS και το CDMA2000. Αυτές οι τεχνολογίες υποστηρίζουν τη μεταγωγή πακέτων σε αντίθεση με τα πιο παραδοσιακά δίκτυα μεταγωγής. Το GPRS έχει χτίστει πάνω σε υπάρχουσες δομές δικτύων GSM,έτσι δεν έχει τις δυνατότητες εύρους ζώνης της επόμενης εποχής των ευρυζωνικών κινητών επικοινωνιών. (3G) Παρόλο που υπάρχουν και άλλα πρότυπα δικτύου 3G, στη συγκεκριμένη περίπτωση θα εστιάσουμε μόνο σε ένα-το UMTS. 45

48 Κεφάλαιο 3 Κυψελοειδή Δίκτυα: UMTS Σχήμα 3.1: Τρεις Γενιες Κινητής τηλεφωνίας 3.3.UMTS Αρχιτεκτονική Η γενική αρχιτεκτονική του UMTS μπορεί να χωριστεί σε δύο κύρια τμήματα: Το δίκτυο ασύρματης πρόσβασης (radio access network-ran) και το κεντρικό δίκτυο (Core Network-CN). Το επίγειο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης του UMTS (UTRAN) παρέχει το δίκτυο ασύρματης πρόσβασης. Φυσικά, το υποσύστημα σταθμού βάσης GSM (BSS) εξακολουθεί να υπάρχει παράλληλα για ομιλία στενής ζώνης ή υπηρεσίες δεδομένων και στοιχεία του BSS μπορεί να επαναχρησιμοποιούνται από το UTRAN. Το CN μπορεί επίσης να διαιρεθεί σε δύο υποδίκτυα: Το δίκτυο πυρήνα του GSM (που δουλεύει ως δίκτυο κυκλωματομεταγωγής), που βασίζεται στα ψηφιακά κέντρα (MSC) και στο δίκτυο πυρήνα του GPRS (που δουλεύει ως δίκτυο μεταγωγής πακέτων) και βασίζεται στους κόμβους στήριξης του GPRS (GSNs). Σχήμα 3.2: Επισκόπιση Δικτύου UMTS Επισκόπηση Δικτύου Παρακάτω είναι τα βασικά πεδία της αρχιτεκτονικής UMTS. Αυτές οι περιοχές υπάρχουν ως αποτέλεσμα των εξελίξεων στο πλαίσιο των υφιστάμενων υποδομών δικτύου. Η περιοχή του πυρήνα του δικτύου είναι βασισμένη στις υποδομές GSM και ISDN. 46

49 Κεφάλαιο 3 Κυψελοειδή Δίκτυα: UMTS Διεπαφές UMTS Cu: Μεταξύ της USIM και της κινητής μονάδας Uu: Μεταξύ του τομέα του εξοπλισμού χρήστη και του τομέα υποδομών lu: Μεταξύ της περιοχής του δικτύου πρόσβασης και της περιοχής του δικτύου εξυπηρέτησης [Zu]: Μεταξύ της περιοχής του δικτύου εξυπηρέτησης και της περιοχής του οικιακού δικτύου [Yu]: Μεταξύ της περιοχής του δικτύου εξυπηρέτησης και της περιοχής του δικτύου διαμετακόμισης Σχήμα 3.3: Διεπαφές UMTS Εξοπλισμός χρήστη Ο τερματικός εξοπλισμός (TE) αποτελεί τη διεπαφή με τον χρήστη και κατέχει το σύνολο των εφαρμογών. Ο κινητός τερματισμός (MT) ενεργεί ως η τελευταία ασύρματη διεπαφή στο δίκτυο UMTS. Μαζί, τα ΤΕ και MTS καλούνται εξοπλισμός χρήστη. Μπορούν να εφαρμοστούν ως ξεχωριστές συσκευές ή μαζί ως μια μόνο συσκευή. Στην τελευταία περίπτωση, η διεπαφή μεταξύ TE και MT δεν είναι προσβάσιμη. Ο εξοπλισμός χρήστη χωρίζεται στη ενότητα υπηρεσιών ταυτότητας χρήστη (USIM) και τον κινητό εξοπλισμό (ME). Ο κινητός εξοπλισμός περιέχει το MT και το TE. Ο MT σχηματίζει τη διεπαφή προς το UTRAN και παρέχει πρόσβαση σε πόρους του δικτύου. Ο TE αντιπροσωπεύει τη διεπαφή χρήστη και περιλαμβάνει εφαρμογές όπως ένα πρόγραμμα περιήγησης στο Internet. Συνήθως, ένα TE μπορεί να είναι ένας φορητός υπολογιστής ή ένα PDA. Ένα PDA με ενσωματωμένες UMTS δυνατότητες αποτελεί μια πλήρης διεπαφή αέρα. Σχήμα 3.4: Εξοπλισμός Χρήστη 47

50 Κεφάλαιο 3 Κυψελοειδή Δίκτυα: UMTS Η USIM είναι μια λογική οντότητα που περιέχει τα δεδομένα και τις διαδικασίες που επιτρέπουν ασφαλή αναγνώριση του συνδρομητή στο δίκτυο. Είναι τοποθετημένη σε μια αυτόνομη έξυπνη κάρτα. Η USIM έχει ανατεθεί σε ένα χρήστη και κάνει διάκριση μεταξύ του τερματικού και της ταυτότητας χρήστη. Εκτός από πολλαπλές USIMs, άλλες εφαρμογές μπορούν επίσης να αποθηκευτούν σε μια γενική κάρτα ολοκληρωμένου κυκλώματος (UICC). Το Mobile Banking είναι ένα παράδειγμα μιας UICC εφαρμογής. Υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα για τη χρήση του UICC, όπως η δυνατότητα όλων των εφαρμογών του να χρησιμοποιούν ένα κοινό βιβλίο διευθύνσεων. Σχήμα 3.5: Μέσα στο τερματικό του χρήστη Ένας συνδρομητής μπορεί να επιλέξει ανά κλήση το κατάλληλο προφίλ από πολλά πιθανά προφίλ χρηστών μέσα σε μια USIM. Ένα προφίλ χρήστη περιέχει δεδομένα και ρυθμίσεις για εξατομικευμένες υπηρεσίες. Αν αρκετοί συνδρομητές χρησιμοποιούν την ίδια συσκευή, κάθε συνδρομητής μπορεί να αποθηκεύσει τις ρυθμίσεις του σε ένα ξεχωριστό προφίλ. Είναι επίσης δυνατό περισσότερα από ένα προφίλ να είναι ενεργά κάθε φορά. Αυτό σημαίνει ότι ένας χρήστης μπορεί ταυτόχρονα να δημιουργήσει μια κλήση ή να λάβει μια που σχετίζονται με διαφορετικά προφίλ. Τα προφίλ χρήστη μπορεί να προστατεύονται από μη εξουσιοδοτημένη χρήση χρησιμοποιώντας ένα PIN. Κάθε προφίλ χρήστη συνδέεται σε μία τουλάχιστον διεύθυνση του χρήστη επίσης γνωστή ως αριθμός ISDN κινητού σταθμού (MSISDN αριθμός). Αυτό είναι σημαντικό για τις εισερχόμενες κλήσης και τον υπολογισμό της χρέωσης. Εικονικό Περιβάλλον Οικείας: Το UMTS παρέχει στους συνδρομητές ένα εικονικό περιβάλλον της οικείας (VHE), στο οποίο μπορούν να έχουν πρόσβαση σε υπηρεσίες εγγεγραμμένες από οποιοδήποτε δίκτυο και σε κάθε τερματικό με τον ίδιο τρόπο. Όσον αφορά τη διασύνδεση του τερματικού σταθμού, οι χρήστες θα πρέπει να πιστεύουν ότι χρησιμοποιούν το ίδιο UMTS που είναι οικείο σε αυτούς, έστω και αν συνδέονται σε ένα διαφορετικό τερματικό ή δίκτυο. Πολλοί ειδικοί της βιομηχανίας πιστεύουν ότι το VHE είναι το κλειδί στις πωλήσεις, όσον αφορά τη μαζική εμπορική χρήση του UMTS. Το οικείο περιβάλλον (HE) είναι υπεύθυνο για το σύνολο της παροχής υπηρεσιών στο συνδρομητή. Το HE είναι επίσης το προσωπικό περιβάλλον υπηρεσιών για ένα συνδρομητή. Δυνατότητες Υπηρεσιών και API: Οι εφαρμογές UMTS μπορούν να έχουν πρόσβαση σε διακομιστές εξυπηρέτησης μέσω ανοικτών, τυποποιημένων διεπαφών, γνωστές ως διεπαφές προγραμματισμού εφαρμογών (APIs). Αυτοί οι διακομιστές παρέχουν δυνατότητες εξυπηρέτησης μέσω της διεπαφής API. Αυτές οι δυνατότητες της υπηρεσίας 48

51 Κεφάλαιο 3 Κυψελοειδή Δίκτυα: UMTS είναι οι στοιχειώδεις λειτουργίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη σύνθετων εφαρμογών. Αναλογικά με προγραμματισμό, τα παραπάνω μπορούν να χρησιμοποιηθούν με μακροεντολές ή υποπρογράμματα. Το περιβάλλον υπηρεσίας έχει πρόσβαση σε όλους τους πόρους και λειτουργίες που διαθέτονται στο δίκτυο (όπως και η κάρτα SIM), με σκοπό να παρέχει δυνατότητες παροχής υπηρεσιών. Σχήμα 3.6.: Υπηρεσίες από τη σκοπιά του Χρήστη Το CN είναι συνδεδεμένο με το UTRAN μέσω της διεπαφής lu. H διεπαφή lu περιλαμβάνει δύο διαφορετικές διεπαφές: τη διεπαφή lu-cs που μεταδίδει κίνηση κυκλωματομεταγωγής μεταξύ του UTRAN και του ψηφιακού κέντρου (MSC) και τη διεπαφή lu-ps που μεταδίδει πακέτα δεδομένων μεταξύ του UTRAN και στους κόμβους εξυπηρέτησης GSN (SGSN). Τα SGSN και το MSC επικοινωνούν με την ίδια οικεία βάση δεδομένων (HLR) μέσω κινητής εφαρμογής (MAP). Η διεπαφή Gs είναι διαθέσιμη ως επιλογή σε ένα UMTS CN Μέρη του UTRAN Το UTRAN αποτελείται από αρκετά υποσυστήματα ασύρματου δικτύου (RNS). Όλα τα RNSs συνδέονται μέσω της διεπαφής lu απευθείας στο UMTS CN. Κάθε RNS περιλαμβάνει έναν ελεγκτή ραδιοδικτύου (RNC) και ένα ή περισσότερους κόμβους Bs. Ένας κόμβος B περιέχει ένα ή περισσότερους ασύρματους σταθμούς μετάδοσης, όπου ο καθένας καλύπτει μία ασύρματη κυψέλη ή τομέα. Επίσης, διαχειρίζεται μια ομάδα κυττάρων που μπορούν να λειτουργήσουν σε λειτουργία FDD, TDD ή και σε διπλή λειτουργία. Είναι ικανός να ελέγχει μικρές μεταπομπές κίνησης εντός των κυττάρων, καθώς και διαφορική λήψη, ανεξάρτητα από το RNC.Η διαφορική λήψη περιγράφει την ικανότητα να διατηρείται μια συνεχή σύνδεση μεταξύ του κινητού τερματικού και του δικτύου μέσω περισσότερων από ενός σταθμών βάσης. 49

52 Κεφάλαιο 3 Κυψελοειδή Δίκτυα: UMTS Σχήμα 3.7: Σύστημα UMTS απ'ακρη σ'ακρη Είναι σημαντικό επειδή οι έρευνες έχουν δείξει ότι οι κινητοί σταθμοί διατηρούν σύνδεση με παραπάνω από ένα σταθμό βάσης σε ποσοστό 80 τοις εκατό του χρόνου. Το RNC χειρίζεται τον έλεγχο των μεταπομπών και των λειτουργιών που σχετίζονται με διαφορικές λήψεις μεταξύ των διαφόρων node b. Οι επιμέρους RNSs μπορούν να ανταλλάσσουν δεδομένα απευθείας μέσω του αντίστοιχου RNC, μέσω της διεπαφής iur. Ένα node b συνδέεται με RNC μέσω της διεπαφής IUB. Σε κάποιο βαθμό, η διεπαφή lu έχει διπλή λειτουργία. Μεταδίδει κυκλοφορία κυκλωματομεταγωγής (πχ ομιλία) και πακετομεταγωγής (πχ περιήγηση στο Internet), μεταξύ του RNC και του αντίστοιχου υποδίκτυου το κεντρικού δικτύου. Η διεπαφή IUR παρέχει τη διαχείριση της κινητικότητας μεταξύ των διαφόρων RNCs, χωρίς την ενσωμάτωση του CN. Έτσι, μικρές μεταπομπές κίνησης εντός των κυττάρων και διαφορικές λήψεις γίνονται δυνατές πέρα από τα όρια RNS. Η διεπαφή IUR μπορεί να εφαρμοστεί χρησιμοποιώντας απευθείας φυσικές συνδέσεις ή εικονικές συνδέσεις με βάσης οποιαδήποτε επιθυμητά δίκτυα μεταφορών. Μεταξύ των διάφορων RNSs, ο έλεγχος παράδοσης είναι επίσης δυνατός μέσω της διεπαφής lu με ενσωμάτωση του CN. Σε αυτήν την περίπτωση, ωστόσο, η λειτουργίες διαφορικής λήψης δεν είναι δυνατές, δεδομένου ότι αυτές οι λειτουργίες είναι ένα αποκλειστικό χαρακτηριστικό των ασύρματων πρωτοκόλλων που δεν φτάνουν στο CN (μπορούν να τερματίζονται στο RNC). Οι φορείς τυποποίησης έχουν καθορίσει τα αντίστοιχα στρώματα πρωτοκόλλου και λειτουργίων για κάθε UTRAN διεπαφή (lu, lur και lub). Το στρώμα πρωτοκόλλου μεταφοράς παρέχει υπηρεσίες για τη μεταφορά δεδομένων του χρήστη, δεδομένων σηματοδότησης και ειδικών πράξεων και δεδομένων συντήρησης. Για να επιτευχθεί η απαιτούμενη ευελιξία εύρους ζώνης, χρησιμοποιείται η ασύγχρονη μέθοδος μεταφοράς (ATM) με κάποια στρώματα προσαρμογής (AAL2 και AAL5), ως τεχνολογία μετάδοσης UTRAN για τα χαμηλότερα στρώματα μεταφοράς. Η αρχιτεκτονική δικτύου από μόνη της δεν είναι μέρος του 3GPP, αλλά εξαρτάται από το χειριστή του δικτύου. 50

53 Κεφάλαιο 3 Κυψελοειδή Δίκτυα: UMTS Σχήμα 3.8: Στοιχεία UTRAN Node B Ένας node b περιέχει έναν ή περισσότερους ασύρματους σταθμούς μετάδοσης, όπου ο καθένας καλύπτει ένα κύτταρο (τομέα). Ένας node b καλύπτει συχνά τρεις τομείς ή κύτταρα. Ωστόσο, υπάρχουν παραλλαγές στις οποίες 1,2,4 ή 6 κύτταρα καλύπτονται από ένα μόνο node b. Πολλαπλές φέρουσες που χρησιμοποιούν πολλαπλές συχνότητες μπορεί να υπάρχουν ανά node b- ο καθένας με εύρος ζώνης 5MHz. Το UMTS βασίζεται σε τεχνολογία CDMA, πράγμα που σημαίνει ότι τα γειτονικά κύτταρα μπορούν να χρησιμοποιήσουν την ίδια συχνότητα φέρουσας. Η πολλαπλή πρόσβαση επιτυγχάνεται μέσω της χρήσης αλληλουχιών κώδικα. Για να αυξηθεί η χωρητικότητα, ωστόσο, διαφορετικές φέρουσες μπορούν να κατανέμονται μεταξύ μεμονωμένων κυττάρων. Σχήμα 3.8: Node b Η χωρητικότητα ενός μεμονωμένου κυττάρου μπορεί να αυξηθεί σημαντικά με τη χρήση πολλαπλών φέρουσων συχνοτήτων (ζώνες 5 Mhz) σε ένα κύτταρο. Η διαθέσιμοι κώδικες CDMA μπορούν στη συνέχεια να επαναχρησιμοποιηθούν για κάθε φέρουσα. Κανάλια ανά κυψέλη=αριθμός των κωδικών CDMA x αριθμός των συχνοτήτων φέρουσας. SRNS και DRNS Για κάθε σύνδεση μεταξύ τερματικού και UTRAN, υπάρχει ένα υποσύστημα ασύρματης υποστήριξης δικτύου (SRNS). Εάν είναι απαραίτητο, το SRNS υποστηρίζεται από ένα ή περισσότερα μετακινούμενα ασύρματα δίκτυα (DRNS). Σε αυτή τη περίπτωση, το τερματικό χρησιμοποιεί επίσης ασύρματους πόρους DRNS εκτός από πόρους SRNS. Η συλλογή των παράλληλων ροών δεδομένων πραγματοποιείται εντός του UTRAN μέσω 51

54 Κεφάλαιο 3 Κυψελοειδή Δίκτυα: UMTS της διεπαφής iur. Ο μηχανισμός αυτός βασίζεται στη ισότητα των συχνοτήτων των διαφόρων σταθμών βάσης και είναι ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της τεχνολογίας CDMA. Αυτό μπορεί να εξομοιωθεί με τη λειτουργία διαφορικής λήψης. Σχήμα 3.9: SRNS και DRNS Λογικά Επίπεδα UMTS Στο πλαίσιο της αρχιτεκτονικής UMTS, υπάρχουν τρία λογικά επίπεδα: Επίπεδο ελέγχου δικτύου μεταφορών: Το επίπεδο αυτό μεταφέρει δεδομένα που δημιουργούνται από τους χρήστες του UMTS και τα επίπεδα ελέγχου. Αποτελείται από τα ακόλουθα στοιχεία: ATM φυσικό στρώμα (E1, T1, OC3c, και STM-1 φυσική διεπαφή) ATM στρώμα (Cell, SAR) Διεπαφή AAL2 Διεπαφή AAL5-NNI Διεπαφή AAL5-UNI Το στρώμα μεταφοράς επικαλείται αυτόματα. Οι χρήστες ελέγχουν τη προσαρμογή των διαδικασιών του στρώματος από πρωτόκολλα ανώτερα στρώματος. Επίπεδο Ελέγχου: Το επίπεδο ελέγχου διαχειρίζεται τα πρωτόκολλα και τις διαδικασίες σηματοδότησης. Αποτελείται από τα ακόλουθα στοιχεία: Ασύρματο έλεγχο των πόρων (RRC). Αυτό περιλαμβάνει: 1. Πληροφορίες του συστήματος μετάδοσης 2. Ρύθμιση, συντήρηση και αποσαφήνιση των συνδέσεων του RRC μεταξύ UE και UTRAN 3. Λειτουργίες κινητικότητας, για παράδειγμα μεταπομπές και ενημερώσεις κυττάρων 4. Τηλεειδοποίηση 5. Δρομολόγηση των δεδομένων από τα υψηλότερα στρώματα πρωτοκόλλου 6. Έλεγχος και αναφορά για τις μετρήσεις UE 7. Έλεγχος ισχύος εξωτερικού βρόχου 8. Έλεγχος Κρυπτογραφήσεως 9. Κατανομή των ανερχόμενων DCH πόρων καναλιού μεταξύ των διαφορετικών Ues Πρωτόκολλο εφαρμογής δικτύου ασύρματης πρόσβασης (RANAP). Το πρωτόκολλο αυτό συμπυκνώνει και μεταδίδει δεδομένα από τα υψηλότερα πρωτόκολλα μεταξύ του UTRAN και SFSN και μεταφέρει σηματοδότηση μεταξύ των τελικών σημείων. Το RANAP ελέγχει τις συνδέσεις GTP για τα δεδομένα των χρηστών σχετικά με τη lu διεπαφή. Τμήμα ελέγχου σηματοδοσίας σύνδεσης (SCCP). Το SCCP επεκτείνει τις λειτουργίες MTP και επιτρέπει στη δρομολόγηση απ'άκρη σ'άκρή να βασίζεται σε διαφορετικές διευθύνσεις. Το SCCP παρέχει τέσσερις μεθόδους, δύο χωρίς σύνδεση και δύο με σύνδεση Διαχείριση της κινητικότητας GPRS (GMM). Περιλαμβάνει: 1. Σύνδεση GRPS 52

55 Κεφάλαιο 3 Κυψελοειδή Δίκτυα: UMTS 2. Αποσύνδεση GPRS 3. Ασφάλεια 4. Ενημέρωση της περιοχής δρομολόγησης Διαχείριση Συνεδρίας. Περιλαμβάνει τις παρακάτω λειτουργίες: Ενεργοποίηση πλαισίου PDP Τροποποίηση πλαισίου PDP Απενεργοποίηση πλαισίου PDP Σηματοδοσία Φορέα: Το SCCP χρησιμοποιεί τις υπηρεσίες σηματοδήσης του φορέα. Με άλλα λόγια, τα πακέτα δεδομένων SCCP μεταφέρονται μέσω των φορέων σηματοδότησης (SBs). Αυτά μπορεί να είναι δομημένα με διαφορετικό τρόπο. Σε αυτή τη περίπτωση, ο χειριστής μπορεί να αποφασίσει να δημιουργήσει μια στοίβα SS#7 ή να στραφεί πάνω σε πρωτόκολλα IP. Στην περίπτωση της SS#7, το SB αποτελείται από MTP3 και τα στρώματα προσαρμογής SSCF και SSCOP. Στην περίπτωση της λύσης IP, η σηματοδοσία του φορέα αποτελείται από το πρωτόκολλο IP με την προσαρμογή των στρωμάτων SCTP και M3UA Επίπεδο Χρήστη Το επίπεδο χρήστη επιτρέπει στους χρήστες να δημιουργήσουν διάφορα είδη κυκλοφορίας φορέα, συμπεριλαμβανομένης των πακέτων φωνής (8 και 16Kbps) και απεριόριστων ψηφιακών δεδομένων. Έλεγχος πρόσβασης στο μέσο (MAC) Οι έλεγχοι του πρωτοκόλλου MAC αποκτούν πρόσβαση στα κοινά ασύρματα κανάλια και διαθέτουν τους πόρους του ραδιοφάσματος. Έλεγχος ραδιοζεύξης Αυτό το πρωτόκολλο παρέχει λογικές συνδέσεις μεταξύ του κινητού σταθμού και UTRAN. Η ρύθμιση, ο καθορισμός και η παρακολούθηση των συνδέσεων είναι μέρος του RLC. Πρωτόκολλο σύγκλισης πακέτων δεδομένων (PDCP) Το PDCP συμπεριφέρεται ως ένα στρώμα προσαρμογής μεταξύ των υψηλότερων πρωτοκόλλων μεταφοράς και των ειδικών απαιτήσεων του στρώματος RLC/MAC. Το PDCP μεταφέρει στα υψηλότερα στρώματα με διαφανείς υπηρεσίες μεταφοράς και υποστηρίζει τα βασικά πρωτόκολλα του Διαδικτύου όπως IP. Επειδή τα πρωτόκολλα PDCP χαρακτηρίζονται από διαφάνεια, οποιαδήποτε πιθανή επακόλουθη εισαγωγή πρόσθετων υψηλότερων πρωτοκόλλων δεν έχει καμία επίπτωση στα πρωτόκολλα ασύρματης διεπαφής στα χαμηλότερα στρώματα. To PDCP επιτρέπει συμπίεση της κεφαλίδας του πρωτοκόλλου. Η online συμπίεση των δεδομένων χρήστη δεν υποστηρίζεται δεδομένου ότι γενικά εξετάζονται από τις εφαρμογές. Πρωτόκολλο σήραγγας GPRS για το επίπεδο χρήστη (GTP-U) Αυτό το πρωτόκολλο μεταδίδει δεδομένα χρηστών μεταξύ του UTRAN και του SGSN και μεταξύ των GSNs του δικτύου κορμού, για παράδειγμα SGSN και GGSN. Όλα τα δεδομένα που πρόκειται να μεταφερθούν είναι στο πλαίσιο του GTP. Το GTP μπορεί να θεωρηθεί ως ένα πρωτόκολλο σήραγγα που χαρακτηρίζεται από διαφάνεια, μεταξύ των φορέων. 53

56 Κεφάλαιο 3 Κυψελοειδή Δίκτυα: UMTS Σχήμα 3.10: UMTS πρωτόκολλα Πρωτόκολλο πακέτων χρήστη (UDP)/ Internet Πρωτόκολλο (IP) Αυτά τα πρωτόκολλα χρησιμοποιούνται στο δίκτυο κορμού GSN. Το κεντρικό δίκτυο GSN είναι ένα IP δίκτυο με ιδιωτικό χώρο διευθύνσεων. Το UDP παρέχει μη αναγνωρισμένη, χωρίς σύνδεση υπηρεσία μεταφοράς. ATM στρώμα προσαρμογής 5 (AAL5) Το AAL5 επιτρέπει τον καταμερισμό των μεγάλων πλαισίων έρευνας και τη διαίρεση αυτών των τμημάτων μέσα στα κύτταρα ATM. Το AAL5 παρέχει επίσης υπηρεσία μεταφορά με και χωρίς σύνδεση. 3.4.UMTS Διεπαφή Αέρα Παρά την ύπαρξη του παγκόσμιου πλαισίου γνωστό ως ITU IMT-2000, διαφορετική ασύρματη διεπαφή ορίστηκε για το 3G. Αυτό κατέστη αναγκαίο μετά τη μη επίτευξη παγκόσμιας συμφωνίας παρά τις μακρές διαπραγματεύσεις. Η επιλογή της κατάλληλης ασύρματης διεπαφής είναι ιδιαίτερα σημαντική δεδομένου ότι αυτό καθορίζει τις βασικές δυνατότητες ενός ασύρματου συστήματος καθώς και άλλα γενικά σημεία συμπεριλαμβανομένων των παρεμβολών, τη διάδοση πολλαπλών διαδρομών και των μεταπομπών. Επιπλέον, η επιλογή μιας συγκεκριμένης ασύρματης διεπαφής έχει αρκετά μεγάλη επίδραση στο κόστος του όλου συστήματος. Σχήμα 3.11: UMTS ασύρματες διεπαφές 54

57 Κεφάλαιο 3 Κυψελοειδή Δίκτυα: UMTS Συστήματα FDD και TDD Τα συμβατικά συστήματα κινητών επικοινωνιών χρησιμοποιούν τεχνικές για τον διαχωρισμό της μετάδοσης uplink και downlink μεταξύ του τερματικού και του σταθμού βάσης. Η διπλή διαίρεση συχνότητα (FDD) και η διπλή διαίρεση χρόνου (TDD) είναι μεταξύ των διάφορων μέσω μετάδοσης που είναι πιο χρησιμοποιούμενα. Η κύρια διαφορά μεταξύ των δύο τρόπων, είναι ότι η FDD χρησιμοποιεί δύο χωριστές ζώνες φέρουσας για τη συνεχή μετάδοση διπλής όψης, ενώ στην μετάδοση TDD υπάρχουν χρονοθυρίδες στο ίδιο κανάλι συχνότητας. Για την ελαχιστοποίηση της αμοιβαίας παρεμβολής στα συστήματα FDD, απαιτείται μια συχνότητα μεταξύ uplink και downlink, που ουσιαστικά θα τα διαχωρίζει. Από την άλλη, στο TDD απαιτείται μια χρονική περίοδος μεταξύ uplink και downlink, προκειμένου να μειώνεται η αμοιβαία παρεμβολή μεταξύ των συνδέσμων. Η διάρκεια αυτή καθορίζεται από τη μεγαλύτερη καθυστέρηση σε ένα κυψελοειδές σύστημα. Σχήμα 3.12.: FDD και TDD Πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση συχνότητας (FDMA) FDMA είναι η τεχνολογία πρόσβασης που χρησιμοποιείται για αναλογικά συστήματα κινητής τηλεφωνίας πρώτης γενιάς. Σε ένα σύστημα FDMA, κάθε συνδρομητής διαθέτει ένα συγκεκριμένο κανάλι συχνοτήτων. Κανείς άλλος στην ίδια κυψέλη ή σε γειτονική δεν μπορεί να χρησιμοποιήσει αυτό το κανάλι συχνοτήτων όταν διατίθεται σε αυτό το χρήστη. Όταν ένα τερματικό εγκαθιστά μια κλήση, διατηρεί το κανάλι συχνοτήτων καθ'όλη τη διάρκεια της κλήσης. Το γεγονός αυτό καθιστά τα συστήματα FDMA τα λιγότερο αποδοτικά συστήματα κινητής τηλεφωνίας αφού κάθε φυσικό κανάλι μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο από ένα χρήστη κάθε φορά. Αντί να εξαφανιστεί όμως, το FDMA είναι η αρχή ενός μεγαλύτερου μέρους της σύγχρονης ψηφιακής κινητής τηλεφωνίας, όπου χρησιμοποιείται ως συμπλήρωμα άλλων ασύρματων συστημάτων πολυπλεξίας. Δίκτυα βασισμένα στο FDMA Προκειμένου να κατασταλλούν οι παρεμβολές στα κύτταρα με τη χρήση των ίδιων συχνοτήτων, τα κύτταρα πρέπει να έχουν την ελάχιστη απόσταση μεταξύ τους. Ο παράγοντας επαναχρησιμοποίησης συχνότητας (FRF) είναι ένας περιορισμός του GSM. Ο λόγος σήματος-προς-θόρυβο μεταξύ του σήματος χρήστη και των παρεμβολών των γειτονικών καναλιών καθορίζει την ποιότητα ενός GSM δικτύου. Για να καταστεί δυνατή η καλύτερη εκμετάλλευση των πόρων ραδιοσυχνοτήτων, τα κύτταρα μπορούν να υποδιαιρεθούν σε τομείς (3 ή 6), στους οποίους οι κατευθυντικές κεραίες στη συνέχεια χρησιμοποιούνται. Ο ακριβής προγραμματισμός συχνοτήτων είναι πολύ σημαντικός σε συστήματα FDMA (όπως στα GSM συστήματα). 55

58 Κεφάλαιο 3 Κυψελοειδή Δίκτυα: UMTS Πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση χρόνου (TDMA) Η βασική ιδέα πίσω από το TDMA βασίζεται στο γεγονός ότι στο χρήστη έχει ανατεθεί μια συγκεκριμένη χρονοθυρίδα και μπορεί να στείλει και να λάβει σε αυτές τις συγκεκριμένες περιόδους. Όταν όλες οι διαθέσιμες χρονοθυρίδες σε μια δεδομένη συχνότητα χρησιμοποιούνται, ο επόμενος χρήστης πρέπει να χρησιμοποιήσει μια χρονοθυρίδα σε άλλη συχνότητα. Η ροή πληροφοριών δεν είναι συνεχής για κάθε χρήστη, στέλνει κ λαμβάνει σε μερικά χρονικά διαστήματα. Ο σημαντικός παράγοντας που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά το σχεδιασμό είναι ότι αυτά το χρονικά διαστήματα είναι τόσο μικρά που το ανθρώπινο αυτί δεν τα αντιλαμβάνεται. Στη τεχνολογία GSM, μέχρι 8 χρήστες θεωρητικά μπορούν να μοιράζονται το ίδιο φάσμα συχνοτήτων των 200kHz σχεδόν ταυτόχρονα, ενώ με τη τεχνολογία IS-136 διαφορετικοί χρήστες μπορούν να χωριστούν σε 3 χρονοθυρίδες μέσα σε ένα κανάλι συχνοτήτων 30kHz. Η χωρητικότητα του TDMA είναι 3 με 6 φορές μεγαλύτερη από αυτή του FDMA. FDMA/TDMA Αυτό είναι ένα μείγμα των δύο τεχνικών πολλαπλής πρόσβασης. Χρησιμοποιείται συνήθως σε κινητά ασύρματα συστήματα όπως πχ το GSM. Στο FDMA/TDMA, μια ομάδα από φέρουσες συχνότητες είναι διαθέσιμες και υποδιαιρούνται σε χρονοθυρίδες για βελτιωμένη αποδοτικότητα. Στο GSM, υπάρχουν 124 κανάλια συχνοτήτων και το καθένα έχει εύρος ζώνης 200 khz. Τα κάθε επιμέρους κανάλι υποδιαιρείται σε οκτώ χρονοθυρίδες το καθένα. Κάθε χρονοθυρίδα είναι 577μs πλάτος, και έτσι ένα πλαίσιο TDMA διαρκεί 4.615ms. Πολλαπλή πρόσβαση με χρήση κώδικα διαίρεσης (CDMA) Σε αυτή τη περίπτωση, το διαθέσιμο κανάλι συχνοτήτων διασπάται από διαφορετικές ακολουθίες κωδίκων που πολλαπλασιάζονται με τα σήματα των χρηστών των συνδρομητών. Όλοι από τους συνδρομητές μεταδίδουν στην ίδια συχνότητα και στο ίδιο χρόνο. Αν το εύρος ζώνης μετάδοσης είναι πολύ ευρύτερο από το εύρος ζώνης του σήματος χρήστη, τότε αυτό είναι γνωστό ως άμεση εξάπλωση CDMA. Πιο συγκεκριμένα, αντί της χρησιμοποίησης μόνο συχνοτήτων ή χρόνο, το CDMA προσθέτει μια άλλη διάσταση- τους ορθογωνικούς κώδικες. Αυτά τα αναγνωριστικά επιτρέπουν τη μεταφορά περισσότερων χρηστών στα ίδια κύτταρα στην ίδια συχνότητα και χρόνο. Για να καταλάβουμε πως λειτουργεί το CDMA, ας εξετάσουμε αυτό το παράδειγμα. Φανταστείτε ότι άνθρωποι διαφορετικών εθνικοτήτων βρίσκονται μαζί. Τέσσερις άνθρωποι μιλούν στη συγκέντρωση ταυτόχρονα, αλλά σε διαφορετικές γλώσσες. Ο κάθε ένας ακροατής μπορεί να ακούσει μία από της τέσσερις γλώσσες με το συγχρονισμό με το συγκεκριμένο ομιλητή. Ο εγκέφαλος του ακροατή αποκλείει όλες τις άλλες ομιλίες σε άλλες γλώσσες. Στον ακροατή, αυτές οι συζητήσεις είναι απλά θόρυβος υπόβαθρου, εφόσον κανένας από τους άλλους ομιλητές δεν φωνάζει. Οι διάφορες γλώσσες σε αυτό το παράδειγμα αντιστοιχούν στους διάφορους κώδικες στο CDMA και ο θόρυβος υποβάθρου αντιπροσωπεύει τα επίπεδα των παρεμβολών στο CDMA. Εάν ο θόρυβος υποβάθρου αυξάνει σημαντικά, γίνεται πολύ δύσκολο να φιλτραριστούν μεμονωμένα σήματα. Το off σημείο για ένα σύστημα CDMA χαρακτηρίζεται από το μέγιστο όριο παρεμβολής. Αυτή η αναλογία επίσης δείχνε πόσο σημαντικό είναι στο CDMA να ελέγξει την ισχύ μετάδοσης για να παρατείνει την αναλογία-κανείς δε μιλάει πιο δυνατά από ότι είναι απολύτων απαραίτητα για τον διαχωρισμό των σημάτων των διαφορετικών χρηστών. Στα συστήματα CDMA, η λειτουργία ελέγχου ισχύς έχει έναν πολύ πιο σημαντικό ρόλο απ'ότι στα συστήματα FDMA/ TDMA στα συστήματα GSM. 56

59 Κεφάλαιο 3 Κυψελοειδή Δίκτυα: UMTS Σχήμα 3.13: FDMA, FDMA/TDMA, FDMA/CDMA Συστήματα βασισμένα στο CDMA Τα συστήματα CDMA χρησιμοποιούν την ίδια συχνότητα για όλους τους χρήστες μέσα σε μια κυψέλη, το οποίο σημαίνει ότι όλοι οι χρήστες διαβιβάζουν τα δεδομένα τους ταυτόχρονα. Η ίδια συχνότητα χρησιμοποιείται επίσης και σε άλλες κυψέλες. Με την τεχνική CDMA, ο παράγοντας επαναχρησιμοποίησης συχνότητας (FRF) είναι 1. Δεν απαιτείται σχεδιασμός συχνοτήτων. Τα κανάλια διαχωρίζονται το ένα από το άλλο 57

60 Κεφάλαιο 3 Κυψελοειδή Δίκτυα: UMTS χρησιμοποιώντας διαφορετικές ακολουθίες κώδικα. Στα συστήματα CDMA, η χωρητικότητα των κυττάρων, η οποία είναι ο μέγιστος αριθμός των ενεργών χρηστών ταυτοχρόνως, εξαρτάται αποκλειστικά από το λόγο σήματος/ παρεμβολή (S/I) στη θέση του δέκτη. Σε αντίθεση με το GSM, το CDMA δεν περιορίζεται αυστηρά από τον αριθμό των διαθέσιμων καναλιών, συχνοτήτων και χρονοθυρίδων. Κάθε νέος συνδρομητής μειώνει ελαφρώς την αναλογία S/I στο δέκτη BTS, δεδομένα ότι ο συνδρομητής δημιουργεί πρόσθετη παρεμβολή. CDMA κυψέλες Σε ένα CDMA σύστημα, μία κινητή συσκευή μπορεί να συνδεθεί ταυτόχρονα σε διαφορετικούς σταθμούς βάσης, δεδομένου ότι η ίδια συχνότητα χρησιμοποιείται σε όλα τα κύτταρα. Αυτό βελτιώνει τις ασύρματες ιδιότητες σημαντικά. Επίσης, η εξασθένηση σε μία διαδρομή μπορεί να αντισταθμιστεί με τη χρήση μιας άλλης διαδρομής. Όπου υπάρχει μόνο μια συχνότητα φορέα, η μεταπομπή εξαιτίας της γρήγορης και σε πραγματικό χρόνο μετάβασης των πόρων, όταν μεταβαίνει από κυψέλη σε κυψέλη. Αυτή είναι γνωστή ως απλή μεταπομπή. 3.5.Συμπεράσματα Το δίκτυο κινητών επικοινωνιών UMTS αποτελεί συνέχεια των προηγούμενων συστημάτων κινητής επικοινωνίας. Η δημιουργία του οφείλεται στην ανάγκη ύπαρξης ενός παγκόσμιου ασύρματου δικτύου κινητής τηλεφωνίας, για αυτό και δημιουργήθηκε κοινό φάσμα σε παγκόσμιο επίπεδο. Η βασική διαφορά του από τα προηγούμενα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας αφορά το σχεδιασμό του να παρέχει επικοινωνία πολυμέσων. Η δυνατότητα αυτή έκανε εφικτή την ύπαρξη πολλών νέων υπηρεσιών που ήταν ανέφικτο να χρησιμοποιηθούν μέχρι τότε, προσφέροντας στο ευρύ κοινό ακόμα περισσότερες υπηρεσίες. 58

61 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή Κεφάλαιο 4: Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή 4.1.Εισαγωγή Τα δίκτυο επικοινωνιών σήμα είναι ένας συνδυασμός διαφορετικών ασύρματων και ενσύρματων δικτύων, τα οποία βασίζονται σε ένα εμπλουτισμένο σύνολο τεχνολογιών. Τα ενσύρματα δίκτυα προτιμώνται όταν η κινητικότητα και η ελευθερία δεν είναι βασικές ανάγκες του χρήστη. Ωστόσο, δεδομένου του φορτωμένου προγράμματος των ανθρώπων σήμερα και της τεράστιας ανάπτυξης τα επαγγελματικών ταξιδίων, τα ασύρματα δίκτυα κερδίζουν τη δημοτικότητα και καθίστανται αναπόσπαστο μέρος της ζωής μας. Η έρευνα σε καινοτόμες ασύρματες τεχνολογίες συνεχίζεται στο πανεπιστήμιο και στη βιομηχανία καθώς επιδιώκουμε να παρέχουν εκτεταμένες ασύρματες υπηρεσίες για να καλυφθούν οι ποικίλες ανάγκες των χρηστών περιαγωγής. Ο περιορισμός της κίνησης ενός χρήστη σε μια ορισμένη ζώνη ή έναν πάροχο υπηρεσιών, ή η διακοπή παροχής υπηρεσιών επειδή ο χρήστης μετακινείται από ένα τμήμα του δικτύου σε ένα άλλο δεν είναι πλέον ελκυστική, δεδομένου ότι τα ασύρματα δίκτυα σήμερα παρέχουν μια πλούσια ποικιλία υπηρεσιών. Ως εκ τούτου, η παροχή συνεχής συνδεσιμότητας καθώς οι χρήστες κινούνται στα διάφορα ασύρματα δίκτυα με αποδεκτή ποιότητα υπηρεσιών εξακολουθεί να αποτελεί θέμα έντονου ενδιαφέροντος. Μια από τις σημαντικότερες προϋποθέσεις για τη συνεχή σύνδεση μιας κλήσης είναι η ομαλή παράδοση της, καθώς διασχίζει τα διάφορα ασύρματα δίκτυα. Θα ήταν επωφελές αν οι δυνατότητας του υπάρχοντος ασύρματου δικτύου αξιοποιηθούν για το σκοπό αυτό. Δεύτερον, θα ήταν ιδιαίτερα προτιμότερα εάν οι λύσεις μπορούν να εξυπηρετήσουν τη περιαγωγή στα διάφορα είδη ασύρματων δικτύων που υπάρχουν σήμερα, έχοντας παράλληλα υπόψιν ότι οι νέες ασύρματες τεχνολογίες που θα προκύψουν, καθώς και οι λύσεις που θα υπάρξουν θα πρέπει να εξελιχθούν με τις νέες τεχνολογίες και τις απαιτήσεις των χρηστών. Η διαδικασία με την οποία ένα χρήστης μεταφέρεται από ένα ασύρματο δίκτυο σε ένα άλλο, σχεδόν απρόσκοπτα ή με την ελάχιστη διατάραξη λέγεται κάθετη μεταπομπή. Μπορεί να μην δυνατόν να δοθεί μια πραγματικά απρόσκοπτη μεταπομπή από μια ενεργή σύνδεση λόγων των διάφορων τεχνικών, διοικητικών και άλλων παραγόντων που διαφέρουν στις διάφορες τεχνολογίες πρόσβασης που χρησιμοποιούνται στα διαδεδομένα ασύρματα δίκτυα -π.χ. μια βλάβη σε κάποια υπηρεσία μπορεί να παρατηρηθεί κατά τη διάρκεια της μεταπομπής. Επιπλέον, ο όρος απρόσκοπτη είναι υποκειμενικός και αποφασίζεται από το χρήστη. Ένας χρήστης πραγματικού χρόνου θα δεχτεί καθυστερήσεις κάτω από 50ms για την απρόσκοπτη μεταφορά των υπηρεσιών του, λαμβάνοντας υπόψη ότι ένας χρήστης μη πραγματικού χρόνου θα δεχθεί καθυστέρηση αρκετών δευτερολέπτων. Συγκριτικά, ένας χρήστης μη πραγματικού χρόνου που έχει πολλές ενεργές συνδέσεις στο διαδίκτυο, θα προτιμούσε να έχει αυτές τις συνδέσεις ενεργές ενώ ταξιδεύει στον επόμενο προορισμό του, αφού η καθυστέρηση δεν είναι σημαντικός παράγοντας για αυτόν. Η απρόσκοπτη υποστήριξη υπηρεσιών θα μπορούσε να έχει διαφορετική σημασία για τους διάφορους χρήστες. Παράλληλα, υπάρχουν χρήστες που θα προτιμούσαν μια χαμηλότερη ποιότητα 59

62 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή υπηρεσιών, εφόσον διατίθεται σε χαμηλότερη τιμή (π.χ. μια τέτοια κατηγορία θα ήταν φοιτητές). Για τους χρήστες αυτούς, η υπηρεσία μετάβασης μπορεί να μην ήταν καλή όσο σε άλλους χρήστες οι οποίοι θα προτιμούσαν υψηλότερη ποιότητα υπηρεσιών και είναι πρόθυμοι να πληρώσουν για αυτό. Ωστόσο, και οι δύο έχουν επιλέξει να έχουν απρόσκοπτη μεταπομπή, αλλά οι προτιμήσεις τους για το επίπεδο της εξυπηρέτησης διαφέρουν σημαντικά. Για να επιτευχθεί απρόσκοπτη ή σχεδόν απρόσκοπτη μεταπομπή, αρκετές διαδικασίες από διάφορα στρώματα πρωτοκόλλων πρέπει να συνεργαστούν με έναν κατανοητό τρόπο. Πριν από μερικές δεκαετίες, ο όρος απρόσκοπτη περιαγωγή δεν είχε καμία σημασία. Εκείνη την εποχή υπήρχαν δύο κύρια συστήματα επικοινωνιών-τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα και τα δίκτυα δεδομένων και συγκεκριμένα το Διαδίκτυο. Εκείνη την εποχή, δεν υπήρχε αναγκαιότητα για την υποστήριξη οποιουδήποτε είδους περιαγωγής μέσω των δικτύων αυτών, για τον απλούστατο λόγο ότι η κινητικότητα των χρηστών και ασύρματα δίκτυα δεν είχα αυξηθεί τόσο ώστε να δημιουργηθεί μια κοινότητα χρηστών. Με την εντυπωσιακή πρόοδο σε υλικό και τεχνολογίες λογισμικού, τα δίκτυα και οι τεχνολογίες δικτύων παρουσίασαν επίσης μια τεράστια ανάπτυξη. Περιττό να πούμε ότι μέρα με τη μέρα οι ηλεκτρονικές συναλλαγές, το ηλεκτρονικό επιχειρείν, η εκπαίδευση από απόσταση και πολλά άλλα επηρέασαν την ανάπτυξη των δικτύων επικοινωνιών, τα οποία είχαν ήδη ωθηθεί από την εξέλιξη των τεχνολογιών υλικού και λογισμικού. Με την τεράστια ανάπτυξη του Διαδικτύου, σε συνδυασμό με τον πολλαπλασιασμό των νέων και καινοτόμων ασύρματων τεχνολογιών και δικτύων καθώς και την αυξανόμενη ανάγκη των χρηστών να επικοινωνούν και να έχουν πρόσβαση σε προσωπικά δεδομένα οπουδήποτε, οποιαδήποτε στιγμή, δημιουργήθηκε η ανάγκη να γεφυρωθούν οι δύο μεγάλες τεχνολογίες δικτύωσης, τα ασύρματα και τα ενσύρματα. Εν τω μεταξύ, η διάκριση μεταξύ τηλεπικοινωνιών και επικοινωνιών δεδομένων άρχισε να μειώνεται, με αποτέλεσμα να υπάρξει μια σύγκλιση των υπηρεσιών που υποστηρίζονται από τα δύο μεγάλα δίκτυα οδηγώντας σε ένα all-ip πρότυπο επικοινωνιών. Τα παραδοσιακά κυψελοειδή δίκτυα, τα οποία κατά κύριο λόγο τροφοδοτούν φωνητικές υπηρεσίες, αντιμετώπισαν την αποδοχή της συνεργασίας με τα ασύρματα τοπικά δίκτυα, τα οποία χρησιμοποιούνται κυρίως για επικοινωνίες δεδομένων. Αυτές οι προσπάθειες ένταξης σε δύο κύρια ευδιάκριτα διαφορετικά πρότυπα ασύρματης επικοινωνίας ήταν η αρχή για να πυροδοτηθεί το ενδιαφέρον έτσι ώστε η κάθετη μεταπομπή να διευκολύνει την υποστήριξη αδιάλειπτων υπηρεσιών σε διάφορα ασύρματα δίκτυα. Η συνεχής προσπάθεια για καλύτερες τεχνολογίες, τόσο από τη σκοπιά του πάροχου (για την αύξηση των εσόδων και τη βελτίωση των υπηρεσιών), καθώς και από την πλευρά του ερευνητή, έτσι ώστε να ξεπεραστούν οι προκλήσεις σε ασύρματες επικοινωνίες, έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση πολυάριθμων ασύρματων δικτύων που βασίζονται σε αρκετούς διαφορετικούς τύπους ασύρματων τεχνολογιών. Σύμφωνα με σχέδιο απαιτήσεων υπηρεσιών αλλά και ποικιλίας δικτύων, είναι προφανές γιατί η κάθετη μεταπομπή έχει αποκτήσει μεγαλύτερη σημασία και κατά πάσα πιθανότητα θα συνεχίσει να είναι ένα σημαντικό θέμα ενδιαφέροντος, καθώς οι νεώτερες τεχνολογίες και υπηρεσίες συνεχίζουν να τροφοδοτούν την ασύρματη αγορά δικτύωσης. Η συνεχής και αδιάκοπη περιαγωγή ή κινητικότητα είναι ζωτικής σημασίας και απαιτεί λειτουργίες διαχείρισης δικτύου για να αποφευχθεί η υποβάθμιση των υπηρεσιών. Η 60

63 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή διαχείριση της μεταπομπής είναι μια από τις βασικές λειτουργίες υπό τη διαχείριση της κινητικότητας που ενώνει πολλές πτυχές της κινητικότητας του χρήστης αλλά και της υποστήριξης της για ασύρματα δίκτυα. Η διαχείριση τοποθεσίας, η οποία περιλαμβάνει τηλεειδοποίηση και ενημέρωση θέσης είναι μια άλλη σημαντική λειτουργία. 4.2.Πλεονεκτήματα της κάθετης μεταπομπής Αν και σήμερα έχουν αναπτυχθεί αρκετά ασύρματα δίκτυα, κανένα από αυτά δεν μπορεί να παρέχει υψηλό εύρος ζώνης, χαμηλή καθυστέρηση, χαμηλή κατανάλωση ενέργεια και ευρεία παροχή δεδομένα σε ένα μεγάλο αριθμό χρηστών. Ωστόσο, όταν κάποιος αντιμετωπίζει το κάθε ασύρματο δίκτυο ξεχωριστά, είναι σε θέση να υποστηρίζει ένα μερικό υποσύνολο των χαρακτηριστικών του και των υπηρεσιών του. Έτσι, με την ενοποίηση των δυνατοτήτων τους, μπορούμε να επιτύχουμε ιδιαίτερα επιθυμητές δυνατότητες συνδυασμένων υπηρεσιών. Για παράδειγμα, ας εξετάσουμε τα δύο μεγάλα ασύρματα δίκτυα που έχουν αναπτυχθεί σήμερα, τα κυψελοειδή και τα WLAN. Οι ικανότητες και βασικές τεχνολογίες σε αυτά τα δίκτυα είναι συμπληρωματικές. Οι εφαρμογές που καταναλώνουν εύρος ζώνης και τα WLAN hotspots οδηγούν σε ένα είδος μπερδεμένης κίνησης το οποίο είναι ένα σημαντικό πρόβλημα. Τα κυψελοειδή δίκτυα που έχουν επικάλυψη δικτύου με WLANs μπορούν να φορτώνουν ένα μέρος της κίνησης κάποια εφαρμογών στα WLAN, όπου είναι αυτά διαθέσιμα, διατηρώντας έτσι πολύτιμους πόρους και προσφέροντας φθηνότερες υπηρεσίες στου χρήστες. Αυτό θα βοηθήσει τους πάροχους ασύρματων υπηρεσιών Διαδικτύου να αποφέρουν περισσότερα έσοδα χρησιμοποιώντας την ήδη υπάρχουσα υποδομή. Εν των μεταξύ, οι συνδρομητές του δικτύου θα απολαύσουν τα καλύτερα χαρακτηριστικά από τις δύο τεχνολογίες, καθολική κάλυψη, μεγαλύτερο εύρος ζώνης και ίσως χαμηλότερο κόστος. Δεν είναι ασυνήθιστο σήμερα να βρει κανείς συσκευές ικανές να λειτουργούν και σε WLAN αλλά και σε κυψελοειδή δίκτυα. Είναι, ως εκ τούτου ένα λογικό συμπέρασμα όλες οι συσκευές του μέλλοντος θα είναι έτσι, για να διατηρήσουν τη συνδεσιμότητα με διαφορετικές ασύρματες τεχνολογίες πρόσβασης. Οι συνεχής ενημέρωση μπορεί να γίνει εξαιρετικά αποτελεσματική εάν η κινητικότητα των χρηστών σε διάφορα ασύρματα δίκτυα υποστηρίζεται με έναν συνεχή τρόπο ενώ δέχονται ευφυείς υπηρεσίες, Η απρόσκοπτη κίνηση θα μπορούσε να παραπέμψει στην προσωπική κινητικότητα που επιτρέπει στο χρήστη να λαμβάνει υπηρεσίες από κάθε τερματική συσκευή και στην κινητικότητα τερματικού που επιτρέπει στη συσκευή να δέχεται υπηρεσίες καθώς κινείται κατά μήκος διαφορετικών ασύρματων δικτύων. 4.3.Τεχνικές Προκλήσεις για τη Κάθετη Μεταπομπή Η μεταπομπή μιας συνεδρία σε ετερογενή ασύρματα δίκτυα, εάν δεν εκτελεστεί σωστά, θα έχει ως αποτέλεσμα ο κινητός χρήστης να αντιμετωπίσει σημαντικές διακυμάνσεις στην ποιότητα λόγω καθυστέρησης της μεταπομπής. Αυτή η καθυστέρηση μπορεί να προκληθεί από: Ανταλλαγές μηνυμάτων, 61

64 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή Πολλαπλή πρόσβαση σε βάσεις δεδομένων, Διαπραγμάτευση και επαναδιαπραγμάτευση υπηρεσιών, Διαφορετικούς ορισμούς των υπηρεσιών και των διατάξεων που οφείλονται στους διαφορετικούς φορείς παροχής υπηρεσιών, κινητικότητα τερματικής συσκευής, διαθεσιμότητα ή μη των πόρων Σε ακραίες συνθήκες, ο κινητός χρήστης μπορεί να εμφανίσει διαλείμματα σύνδεσης. Η διαδικασία κάθετης μεταπομπής είναι ζωτικής σημασίας και πρέπει να ληφθεί υπόψη σε διαφορά στρώματα των πρωτοκόλλων από τεχνικής πλευράς καθώς και από διοικητικής άποψης (αφορώντας τους πάροχους ασύρματων υπηρεσιών), καθώς και από την οπτική γωνία του συνδρομητή Η ετερογένεια στις ασύρματες τεχνολογίες Ξεκινάμε με την ετερογένεια των υφιστάμενων ασύρματων δικτύων βασισμένων σε ένα ετερογενές σύνολο ασύρματων τεχνολογιών, καθώς αυτό αποτελεί σημαντική τεχνική πρόκληση. Στη παρακάτω εικόνα έχουμε καλύψει ένα υποσύνολο των υφιστάμενων ασύρματων τεχνολογιών που είναι αυτή την εποχή σημαντικοί παράγοντες και θα συνεχίσουν να έχουν αντίκτυπο όσον αφορά την κάθετη μεταπομπή στο μέλλον. Από τις τεχνολογίες που σημειώνονται στα παρακάτω εικόνα, τα κυψελοειδή δίκτυα και τα WLAN είναι τα πιο δημοφιλή από την πλευρά του χρήστη. Τα WPANs γίνονται όλο και πιο δημοφιλή με τις πολυάριθμες εξατομικευμένες Σχήμα 4.1: Υπάρχουσες Ασύρματες Τεχνολογίες συσκευές που έχουν πολλαπλασιαστεί στην αγορά τα τελευταία χρόνια. Καθώς ο άνθρωπος κινείται, αυτές οι συσκευές μπορούν να κινούνται ως ομάδα. Ως εκ τούτου, οι εκτιμήσεις των δικτύων και συσκευών WPAN σε μια απρόσκοπτη μελέτη περιαγωγής είναι πολύ σημαντική. Τα δίκτυα Zigbee έχει γίνει δημοφιλή πρόσφατα, περισσότερο λόγω των απαιτήσεων της βιομηχανίας. Τα WMAN και WiMAX είναι τεχνολογίας που 62

65 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή ανταγωνίζονται για την κάλυψη ευρείας περιοχής, που υποστηρίζεται από τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας Η μεταπομπή στο δεύτερο και τρίτο επίπεδο Η μεταπομπή μιας υπηρεσίας χρήστη από κύτταρο σε κύτταρο στα κυψελοειδή δίκτυα ή μέσα σε ένα δίκτυο WLAN ή σε ένα υποδίκτυο αυτού μπορεί να εκτελεστεί πλήρως στο δεύτερο επίπεδο της στοίβας πρωτοκόλλου. Βασίζεται στα βασικά κριτήρια μεταπομπής όπως η ισχύς του σήματος (RSS), ο λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR), καθώς και στη διαθεσιμότητα του καναλιού. Έτσι, αποφασίζεται ότι ο καλύτερος σταθμός βάσης σε ένα κυψελοειδές δίκτυο ή ένα δίκτυο WLAN δεν είναι αυτός που είναι συνδεδεμένος με τη συσκευή μας, και ότι η συσκευή πρέπει να μεταφερθεί σε ένα από τους γειτονικούς. Δεδομένου ότι αυτή η μεταπομπή εκτελείται τοπικά στο ασύρματο δίκτυο ή υποδίκτυο, δεν υπάρχει καμία ανάγκη για συμμετοχή το τρίτου επιπέδου. Αυτό το είδος μεταπομπής εμπίπτει στη γενική κατηγορία των οριζόντιων μεταπομπών. Όταν ένα κόμβος αλλάζει ασύρματα δίκτυα, η διεύθυνση IP του (και ίσως το ψηφιακό κέντρο που είναι συνδεδεμένος) μπορεί να αλλάξει. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η μεταπομπή δεν μπορεί να εκτελεστεί πλήρως στο δεύτερο επίπεδο, αφού οι αποφάσεις πρέπει να παρθούν στα ανώτερα επίπεδα. Με το παράδειγμα all-ip και την έλευση του IP σε κυψελοειδή δίκτυα, μεταξύ ασύρματης δικτύωσης και κάθετων μεταπομπών αντιμετωπίζεται μια αλλαγή στη διεύθυνση IP που απαιτεί τη συμμετοχή των πρωτοκόλλων του επιπέδου τρία. Σημειώστε ότι οι αποφάσεις κάθετης μεταπομπής απαιτούν επίσης να ικανοποιούνται τα κριτήρια για οριζόντια μεταπομπή, δηλαδή η βελτίωση των RSS και SNR καθώς και η διαθεσιμότητα του καναλιού. Έτσι, γίνεται αντιληπτό ότι η κάθετη μεταπομπή αντιμετωπίζει κάποιες σοβαρές προκλήσεις, αφού καθίσταται για τους μηχανισμούς των επίπεδων δύο και τρία να συνεργαστούν. Συνήθως, μια μεταπομπή του δεύτερου επιπέδου θα ενεργοποιήσει και τη μεταπομπή στο επίπεδο τρία και τους χρονισμούς έναρξής, εκτέλεσης και ολοκλήρωσης της, με τους απαραίτητους ρυθμούς σε όλες αυτές τις ενέργειες. Οι μηχανισμοί οριζόντιας μεταπομπής στα κυψελοειδή δίκτυα είναι ευρέως ανεπτυγμένοι. Στα δίκτυα WLAN, λόγω της περιορισμένης κάλυψης που παρέχεται από ένα ενιαίο σημείο πρόσβασης WLAN και του μηχανισμού πρόσβασης που συνήθως ακολουθεί μια τυχαία εξέλιξη, η οριζόντια μεταπομπή αντιμετωπίζεται με έναν διαφορετικό τρόπο. Όταν ένα χρήστης κινείται σε διάφορα σημεία πρόσβασης στο ίδιο υποδίκτυο, το πρωτόκολλο IAPP παρέχει ανταλλαγές μηνυμάτων μεταξύ των σημείων πρόσβασης, διευκολύνοντας έτσι την ομαλή μεταπομπή του κινητού χρήστη σε όλα τα σημεία πρόσβασης. Ωστόσο, ένα κινητός χρήστης μπορεί να διασχίσει πολλά υποδίκτυα ή τομείς, το οποίο απαιτεί ενημέρωση και εκκίνηση μεταπομπής στο τρίτο επίπεδο. Οι καθυστερήσεις στα ανώτερα επίπεδα μπορούν να επεκταθούν σε αρκετά δευτερόλεπτα, κάτι το οποίο μπορεί να επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό την απόδοση της μεταπομπή WLAN σε δίκτυα και υποδίκτυα. Αυτό το θέμα με τα WLAN έχει έξυπνα καταστρατηγηθεί από τις πολύ μικρές τεχνικές διαχείρισης της κινητικότητας. Αυτές οι τεχνικές είναι σε θέση να εκτελέσουν αποτελεσματικά τη μεταπομπή σε υποδίκτυα και 63

66 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή τομείς. Πριν κατανοήσουμε τη σημαντικότητα της, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τη μακρό κινητικότητα. Οι δύο αυτές έννοιες συζητούνται στη συνέχεια. Αρκετές ερευνητικές λύσεις έχουν επιλογή για την έξυπνη μεταπομπή, για τη μείωση της καθυστέρησης της. Η γρήγορη και η έξυπνη μεταπομπή απαιτούν επίσης την αλληλεπίδραση μεταξύ των πρωτοκόλλων των επίπεδων 2 και Μακρό και Μικρο Κινητικότητα Η μακρό κινητικότητα αναφέρεται στην κινητικότητα μεταξύ των διοικητικών τομέων ή μεταξύ των τομέα κίνησης, τα οποία κυρίως χειρίζονται στο στρώμα 3 του μοντέλου OSI. To Mobile IP χρησιμοποιείται για τη μακροκινητικότητα και είναι μια έννοια η οποία είναι θεμελιώδους σημασίες για τις περισσότερες λύσεις κάθετης μεταπομπής σε ένα παράδειγμα All-IP. Η έννοια mobile IP εισήχθη όταν διάφορα ασύρματα δίκτυα είχαν αυξήσει την αγορά δικτύωση και την απαιτούμενη πρόσβαση με τις πλούσιες υπηρεσίες που προσέφερε το Διαδίκτυο. Η παροχή ασύρματων υπηρεσιών Internet προς το ακίνητο χρήστη δεν είναι μεγάλο πρόβλημα, αλλά οι χρήστες που είναι σε ομάδες αλλάζουν δίκτυο ή σημείο επαφής με αυτό. Η κύρια πρόκληση τίθεται εξαιτίας του πρωτόκολλου Internet, και του τρόπου με τον οποίο δρομολογεί τα πακέτα με βάση το αναγνωριστικό δικτύου στις διευθύνσεις IP. Αν ο κόμβος προορισμού είναι κινητός, το σημείο της προσάρτησης θα αλλάξει καθώς κινείται μεταξύ των διάφορων ασύρματων δικτύων, με αποτέλεσμα την αλλαγή των διευθύνσεων IP και ID του δικτύου, καθιστώντας τη διαφάνεια στη κινητικότητα αδύνατη. Για τη διατήρηση των συνδέσεων του επίπεδου μεταφορά, η διεύθυνση IP πρέπει να είναι η ίδια για όλη τη διάρκεια λειτουργίας της συνόδου του επίπεδου μεταφοράς και οποιαδήποτε αλλαγή στη διεύθυνση IP μπορεί να προκαλέσει τη διακοπή της σύνδεσης, με αποτέλεσμα την απώλεια δεδομένων. Η παράδοση πακέτων στο τρέχον σημείο του κινητού κόμβου απαιτεί μια διεύθυνση IP για τον κινητό κόμβο στο νέο δίκτυο. Το Mobile IP λύνει το παραπάνω πρόβλημα, επιτρέποντας στο κινητό κόμβο να χρησιμοποιήσει δύο IP διευθύνσεις, μία οικεία διεύθυνση, η οποία είναι η μόνιμη διεύθυνση του κινητού κόμβου και μια διεύθυνση φύλαξης η οποία αλλάζει καθώς ο κόμβος κινείται σε διαφορετικά δίκτυα. Το Mobile IP πρότεινε τη χρήση ενός οικιακού πράκτορα στο οικιακό δίκτυο, ο οποίος θα διακόπτει τα πακέτα από τον κινητό κόμβο που είναι μακριά από το οικιακό δίκτυο. Για τη συνεχή διαβίβαση των πακέτων που εμποδίζονται πιθανά, ο οικιακός πράκτορας θα πρέπει να γνωρίζει για τη νέα IP διεύθυνση του κινητού κόμβου. Ο κινητός κόμβος καταγράφει ως εκ τούτου, τις νεοαποκτηθέντες διευθύνσεις IP με τον οικιακό πράκτορα χρησιμοποιώντας ενημερώσεις. Ο οικιακός πράκτορας κατασκευάζει ένα νέο πακέτο IP με μία κεφαλίδα που περιέχει τη διεύθυνση φύλαξης του κινητού κόμβου ως την διεύθυνση IP προορισμού, εγκαλεί το αρχικό πακέτο IP στο ωφέλιμο φορτίο και προωθεί αυτό το πακέτο IP στο κινητό κόμβο στο ξένο δίκτυο. Αυτό ονομάζεται μέθοδος σήραγγας. Η μικρό κινητικότητα σχεδιάστηκε για να αποφευχθεί η μετάδοση της απόφασης ελέγχου στο επίπεδο 3, όσο ο κινητός χρήστης δεν διασχίζει τομείς. Η προσέγγιση είναι απλή και είναι σε θέση να υποστηρίξει την περιαγωγή από την προοπτική του επιπέδου 2. Το Mobile IP χρησιμοποιεί ενημερώσεις για να ενημερώσει το οικείο δίκτυό για την 64

67 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή εμφάνιση μιας νέας διεύθυνσης που μπορεί να προκαλέσει αύξηση στο φόρτο σηματοδότησης καθώς και καθυστερήσεις που οδηγούν σε μια συμβιβαστική ποιότητα παρεχόμενων υπηρεσιών. Το πρωτόκολλα μικρό κινητικότητας μειώνουν την ανάγκη για την αποστολή τέτοιων μηνυμάτων. Η ιεράρχηση των σταθμών βάσης οργανώνεται στο πλαίσιο ενός ξένο δικτύου, υπό τον έλεγχο ενός ξένου πράκτορα, έτσι ώστε όταν ένας κινητός κόμβος αλλάζει σταθμό εντός του ίδιου τομέα, οι πληροφορίες θέσης μεταδίδονται μόνο μέσω των τοπικών δρομολογητών του domain και δεν απαιτείται να σταλεί κάποιο μήνυμα ενημέρωσης στο οικείο δίκτυο. Ωστόσο, όταν ένα κινητός κόμβος κινείται σε ένα νέο τομέα, μια κλασσική μεταπομπή Mobile IP είναι απαραίτητη. Κατηγοριοποίηση των Διαδικασιών Μεταπομπής Θα πρέπει να είναι σαφές από τώρα ότι η μεταπομπή είναι μια διαδικασία στην οποία μια κινητή συσκευή δέχεται ή παραδίδει δεδομένα από ένα σταθμό σε έναν άλλο. Η κάθετη και η οριζόντια μεταπομπή είναι διαφορετική από την οπτική του ασύρματου δικτύου πρόσβασης, ενώ μικρό και μακρό κινητικότητα από οπτική διοικητικού τομέα. Επομένων, διαισθητικά μπορεί κανείς να ταξινομήσει τις διαδικασίες της μεταπομπής σε τέσσερις διαφορετικές κατηγορίες σεναρίων περιαγωγής και μεταπομπής, όπως φαίνεται παρακάτω: Κάθετη μακρό κινητικότητα: Διαφορετικά ασύρματα δίκτυα πρόσβασης κάτω από διαφορετικά διοικητικά πεδία. Οριζόντια μακρό κινητικότητα: Ίδιος τύπος δικτύων ασύρματης πρόσβασης κάτω από διαφορετικά διοικητικά πεδία. Κάθετη μικρό κινητικότητα: Διαφορετικά ασύρματα δίκτυα πρόσβασης υπό ίδιους διοικητικούς τομείς. Οριζόντια μικρό κινητικότητα: Ίδιος τύπος δικτύων ασύρματης πρόσβασης υπό ίδιους διοικητικούς τομείς. 65

68 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή Σχήμα 4.2:Λειτουργία του Mobile IP 4.4. Μελέτες Κάθετης Μεταπομπής Διαδικασία Μεταπομπής Στη διαδικασία μεταπομπής, καθώς το κινητό τερματικό μεταβαίνει από ένα πομποδέκτη σε έναν άλλο, το κανάλι ( συχνότητα, χρόνος, κώδικας κατανομής ή συνδυασμός αυτών), που συνδέονται με την τρέχουσα σύνδεση πρέπει να αλλάξουν, ενώ η κλήση ή η συνεδρία είναι σε εξέλιξη. Η όλη διαδικασία μπορούμε να θεωρήσουμε ότι αποτελείται από τρεις φάσεις. Ανακάλυψη Συστήματος:Σε αυτή τη φάση, το σύστημα μπορεί να παρακολουθεί περιοδικά για ένα καλύτερο δίκτυο στο οποίο το κινητό τερματικό μπορεί να παραδοθεί. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η διαδικασία εντοπισμού ξεκινά μόνον όταν οι τρέχον συνθήκες του δικτύου έχει ξεπεράσει ένα κατώτατο όριο. Σε κάθε περίπτωση, ανάλογα 66

69 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή με τους αλγόριθμους και τους στόχους που έχουν τεθεί με τη μεταπομπή, οι εκτιμήσεις παρακολούθησης και μεταπομπής μπορεί να περιλαμβάνουν διαφορετικά κριτήρια. Απόφαση Μεταπομπής: Η απόφαση μεταπομπής χρησιμοποιεί έναν αλγόριθμο που τη βελτιστοποιεί. Βασισμένο σε ένα επιλεγμένο σύνολο κριτηρίων για να αποφασίσουν θα να γίνει η μεταπομπή και σε ποιο δίκτυο να γίνει η μετάβαση. Η απόφαση είναι πολύ κρίσιμη και πολλές διαφορετικές ενδιαφέρουσες λύσεις έχουν προταθεί για την αντιμετώπιση του προβλήματος αυτού. Εκτέλεση Μεταπομπής: Αυτή είναι η τελευταία φάση στη διαδικασία μεταπομπής όπου μηνύματα ανταλλάσσονται μεταξύ των δικτύων για την αναδρομολόγηση της κλήσης του χρήστη σε ένα νέο δίκτυο. Η μεταπομπή εκτελείται σύμφωνα με μια προσχεδιασμένη προσέγγιση και πρέπει να λάβει υπόψη τα θέματα εφαρμογής, ενώ θα πρέπει να προκαλέσει την ελάχιστη δυνατή διατάραξη στην υπάρχουσα υποδομή Κριτήρια Κάθετης Μεταπομπής Οι παραπάνω τρεις διαδικασίες ισχύουν για οριζόντια αλλά και για κάθετη μεταπομπή. Ενώ στην οριζόντια μεταπομπή, οι αποφάσεις παίρνονται κυρίως βάσει RSS, SNR και διαθεσιμότητα καναλιού, στην περίπτωση της κάθετης μεταπομπής, λαμβάνονται υπόψη και η διάρκεια μπαταρίας, η συμφόρηση του δικτύου, η κάλυψη δικτύου, η ταχύτητα των χρηστών, ο αριθμών των χρηστών στο δίκτυο και ο αριθμός των χρηστών που διασχίζουν το δίκτυο. Με την αύξηση του αριθμού των ασύρματων δικτύων και της διεισδυτικότητας των διαφορετικών υπηρεσιών με επίκεντρο το χρήστη, έχει καταστεί σημαντικό να λαμβάνονται υπόψη παράμετροι όπως οι προτιμήσεις του χρήστη και το κόστος. Τα κριτήρια απόφασης επηρεάζονται περαιτέρω επειδή οι χρήστες και οι πάροχοι υπηρεσιών έχουν πολύ διαφορετικούς στόχους. Η έγκαιρη και αξιόπιστη μεταφορά της σύνδεσης ενός κινητού χρήστη είναι σημαντική στην κάθετη μεταπομπή. Αυτό απαιτεί τη μεταφορά της σύνδεσης συμπεριλαμβανομένου των πληροφοριών ασφάλειας, τις εγγυήσεις QoS και τις τυχόν ειδικές λειτουργίες επεξεργασίας. Ένα πρωτόκολλο μεταφοράς πλαισίου είναι αναγκαίο για να επιτραπεί η ανταλλαγή πληροφοριών κατάστασης σχετικά με την επεξεργασία πακέτων ενός κινητού κόμβου. Αυτά περιλαμβάνουν πρωτόκολλα για τη διαχείριση του QoS, συμπίεση κεφαλίδας καθώς και πιστοποίηση, εξουσιοδότηση και υπολογισμούς (authentication, authorization and accounting-aaa). Παρακάτω έχουμε μερικά κριτήρια που λαμβάνονται υπόψη για την μεταπομπή. Ένας συνδυασμός αυτών μπορεί να οριστεί σε μία βάση δεδομένων από την οποία ο αλγόριθμος μεταπομπής επιλέγει αυτά που προτίθεται να χρησιμοποιήσει. Διαφορετικοί τύποι υπηρεσιών απαιτούν διαφορετικούς συνδυασμούς αξιοπιστίας, καθυστέρησης και ρυθμού μεταφοράς δεδομένων και είναι πολύ σημαντικό οι αποφάσεις μεταπομπής να λάβουν τον τύπο υπηρεσίας υπόψη. Οικονομικές-Νομισματικές Εκτιμήσεις: Διαφορετικά δίκτυα εφαρμόζουν διαφορετικές στρατηγικές τιμολόγησης, οι οποίες θα επηρεάσουν την επιλογή των χρηστών όσον αφορά το δίκτυο που θέλουν να μεταφερθούν. Συνθήκες Δικτύου: Η κυκλοφορία του δικτύου, το διαθέσιμο εύρος ζώνης, η καθυστέρηση και η συμφόρηση στο δίκτυο πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τη 67

70 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή λήψη αποφάσεων σχετικά με το πιο κατάλληλο δίκτυο για μια μεταπομπή. Αυτές οι πληροφορίες θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τεχνικές εξισορρόπησης φορτίου και την μείωση της συμφόρησης στο δίκτυο. Απόδοσης Συστήματος: Τα SNR, ποσοστό σφαλμάτων bit (BER) και η ισχύς της μπαταρίας είναι απαραίτητα για την εγγύηση μιας συγκεκριμένης απόδοσης του συστήματος για τον χρήστη. Χαρακτηριστικά κινητού τερματικού: Η ταχύτητα του, το πρότυπο κινητικότητα, το ιστορικό κίνησης καθώς και η τρέχουσα θέση του είναι επίσης σημαντική παράγοντες μεταπομπής. Προτιμήσεις του Χρήστη: Ορισμένοι χρήστες μπορεί να έχουν ιδιαίτερες προτιμήσεις σε συστήματα με ορισμένους τύπους συμπεριφοράς. Τα περισσότερα από τα παραπάνω κριτήρια μεταπομπής που αναφέρονται παραπάνω συσχετίζονται σε μεγάλο βαθμό και δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν ξεχωριστά, καθιστώντας έτσι σημαντικό ότι οι αποφάσεις κάθετης μεταπομπής βελτιστοποιούνται με βάση πολλαπλά κριτήρια. Μια μεταπομπή πολλαπλών κριτηρίων έχει μεγαλύτερο δυναμικό για την επίτευξη της επιθυμητής ισορροπίας μεταξύ των διάφορων συστημάτων. Με την ταυτόχρονη εξέταση των πολλών σημαντικών πτυχών που μπορούν να ενισχύσουν τη διαδικασία της μεταπομπής και να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις του συστήματος, τους στόχους του πάροχου και τις προτιμήσεις των χρηστών, η δυνατότητα του αλγορίθμου να βελτιστοποιήσει σε αρκετά κριτήρια γίνεται περίπλοκη. Το σύνολο των κριτηρίων για τη μεταπομπή μεταξύ δύο ασύρματων δικτύων μπορεί να μην είναι ομοιόμορφο καθώς η διαδικασία διέπεται από στόχους των αλγόριθμων μεταπομπής, οι οποίοι με τη σειρά τους εξαρτώνται από τους φορείς παροχής υπηρεσιών και το υποκείμενο δίκτυο. Η ετερογένεια του δικτύου επιδεινώνει το πρόβλημα καθώς τα κριτήρια για τη μεταπομπή μεταξύ διαφορετικών δικτύων ποικίλλουν όχι μόνο λόγω των τεχνικών θεμάτων αλλά επίσης λόγω των διοικητικών και οικονομικών πολιτικών στο δίκτυο. Ασύμμετρη μεταπομπή λέγεται η μεταπομπή στην οποία η μεταβίβαση από ένα δίκτυο στο άλλο διαφέρει από την αντίστροφη διαδικασία. Για παράδειγμα, οι εκτιμήσεις για μεταπομπή από κυψελοειδές δίκτυο σε WLAN δεν είναι οι ίδιες όπως όταν γίνεται μεταπομπή από WLAN σε κυψελοειδές. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα κίνητρα για τη μεταπομπή από το WLAN στο κυψελοειδές είναι διαφορετικά από τα κίνητρα για μεταπομπή από κυψελοειδές σε WLAN. Αυτή η διαφορά στις απαιτήσεις μεταπομπής οδήγησε στη διακριτή εξέταση των διαδικασιών για τη μετακίνηση από και προς το WLAN σε κυψελοειδή κάλυψη. Αν και κάθε μελέτη για κάθετη μεταπομπή θα πρέπει να εξετάσει για περιαγωγή μέσω ετερογενών ασύρματων δικτύων, κατά τις αρχές της δεκαετίας του 2000, υπήρξε μια μεγάλη προσπάθεια για να διευκολυνθεί η απρόσκοπτη περιαγωγή σε όλη το κυψελοειδές δίκτυο και το WLAN. Αυτό οφειλόταν στο γεγονός ότι τα κυψελοειδή δίκτυα είχαν διεισδύσει σημαντικά στον πληθυσμό των κινητών χρηστών και προσέφεραν χαμηλού εύρους ζώνης, υψηλής ποιότητας υπηρεσίες φωνής με σοβαρούς περιορισμούς στον χειρισμό των δεδομένων κίνησης, ενώ τα WLAN είχαν ιδιαίτερα επιθυμητά χαρακτηριστικά όπως υψηλούς ρυθμούς δεδομένων, χαμηλότερο κόστος και 68

71 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή μειωμένη περιοχή κάλυψης, τα οποία συμπλήρωσαν ουσιαστικά τις κυψελοειδείς δυνατότητες του δικτύου. Ως εκ τούτου, μπορεί κανείς να παρατηρήσει μια αναταραχή των ερευνητικών πρωτοβουλιών για την ενσωμάτωση του κυψελοειδούς δικτύου και του WLAN, κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η οποία συνεχίστηκε καθώς οι ερευνητές και οι προμηθευτές θέλησαν να βελτιώσουν τις λύσεις που προτείνονταν από τους προκατόχους τους. Από τότε, αρκετές νέες ασύρματες τεχνολογίες και δίκτυα όπως το ασύρματα δίκτυα πλέγματος, το WiMAX και κινητά Ad-Hoc δίκτυα έχουν εμφανιστεί αλλά δεν έχουν πετύχει τη δημοτικότητα, επιτυχία και μεγάλη ανάπτυξη είτε του κυψελοειδές δικτύου, είτε του WLAN. Εξ ου και η έμφαση στην αποτελεσματική υποστήριξη της απρόσκοπτης περιαγωγής μέσω αυτών των δύο διάσημων δικτύων συνεχίζεται Κριτήρια Απόφασης Μεταπομπής Τα κριτήρια που μπορεί κανείς να λάβει υπόψιν για την αποτελεσματική κάθετη μεταπομπή μπορεί να είναι πολλά, αλλά δεν είναι ούτε εφικτό ούτε αναγκαίο να ληφθούν όλα αυτά υπόψιν κατά τη διαδικασία λήψης αποφάσεων. Πολλές λύσεις έχουν προταθεί χρησιμοποιώντας ένα μόνο υποσύνολο των κριτηρίων, με βάση ορισμένους προκαθορισμένους σκοπούς. Στις περισσότερες περιπτώσεις υπάρχει υψηλή εξάρτηση από τους φορείς παροχής υπηρεσιών και το τι σκέφτονται για να να ικανοποιήσουν τους πελάτες τους. Δίνουμε έμφαση σε μερικά από αυτά τα κριτήρια και το σκεπτικό της επιλογής τους. Στα κυψελοειδή δίκτυα, η μεταπομπή μπορεί να είναι μεταξύ γειτονικών κυψελών ή μεταξύ μικρό και μακρό κυψελών. Τα κριτήρια για μεταπομπή και στις δύο περιπτώσεις λαμβάνονται υπόψιν ξεχωριστά. Μεταπομπή Μικρό-Κυψελών: Το κατώτατο όριο RSS και η υστέρηση αποτελούν σημαντικά κριτήρια για την μεταπομπή. Το κατώτατο όριο RSS αποφεύγει τη μεταπομπή ενός κινητού κόμβου πολύ γρήγορα στο γειτονικό σταθμό βάσης. Η μεταπομπή ξεκινάει μόνο αν η ισχύς του σήματος από το τρέχοντα σταθμό βάσης πέσει κάτω από ένα όριο. Αντίστοιχα, η υστέρηση αποφεύγει το φαινόμενο πινγκ πονγκ στα σύνορα του κυττάρου, οπότε η μεταπομπή με μια γειτονική κυψέλη ξεκινάει μόνο αν η ισχύς του σήματος είναι πάνω από μια ορισμένη τιμή. Μεταπομπή Μακρό-Κυψελών: Η έννοια της επικάλυψης, η οποία είναι ιδιαίτερα δημοφιλής στα τρέχοντα WLAN και κυψελοειδή δίκτυα, υπήρχε ακόμα και με τα κυψελοειδή δίκτυα, όπου μια μακρό-κυψέλη θα παρέχει κάλυψη ομπρέλα για τις μικρο-κυψέλες και και αυτά τα δύο είδη κυψελών θα χρησιμοποιούσαν διαφορετικές ζεύξεις. Σε αυτή τη περίπτωση, η ταχύτητα του κινητού ήταν ένα άλλο σημαντικό θέμα. Οι αργοί χρήστες θα πρέπει να βρίσκονται υπό την κάλυψη μικρό-κυψέλης, ενώ οι γρήγοροι χρήστες θα πρέπει να υποστηριχθούν με κάλυψη μακρό-κυψέλης. Αυτό αντιμετωπίστηκε μέσω μιας πολυεπίπεδης προσέγγισης ελέγχου. Το εύρος ζώνης, η καθυστέρηση απόκρισης, το BER και τα κόστη του δικτύου θα μπορούσαν να αλλάξουν με την κινητικότητα των χρηστών σε όλα τα δίκτυα και 69

72 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή συνδυάζοντας τα με RSS, SNR και τη διαθεσιμότητα του καναλιού (τα πιο ευρέως γνωστά κριτήρια για τις οριζόντιες μεταπομπές) αποτελούν τα ελάχιστα κριτήρια για τις κάθετες μεταπομπές. Το εύρος ζώνης, το BER και η καθυστέρηση απόκρισης έχουν άμεσο αντίκτυπο στο προτιμώμενο QoS και ως εκ τούτου πρέπει να ληφθούν υπόψη. Το εύρος ζώνης, η ταχύτητα του κινητού τερματικού και ο αριθμός των χρηστών στο δίκτυο που μελετάμε ή στο δίκτυο μετά της μεταπομπή είναι μερικά στοιχεία τα οποία μας ενδιαφέρουν. Το εύρος ζώνης είναι σημαντικό λόγω της διαφοράς αυτού ανάμεσα σε κυψελοειδή δίκτυα και WLAN. Η ταχύτητα του κινητού και το σχέδιο κινητικότητας του είναι σημαντικά καθώς ένα ταχέως κινούμενο κινητό μπορεί γρήγορα να διασχίσει το εύρος κάλυψης ενός WLAN και ίσως να μην είναι κατάλληλο για μεταπομπή από κυψελοειδές σε WLAN καθώς έτσι θα έχουμε μια αλληλουχία μεταπομπών που συνδέονται με προβλήματα σηματοδότησης και καθυστερήσεις. Τέλος, ο αριθμός των χρηστών στο δίκτυο είναι σημαντικός. Είτε πρόκειται για δίκτυα κινητής τηλεφωνίας που χρησιμοποιούν κάποια προγραμματισμένο σύστημα πολλαπλής πρόσβασης, είτε WLAN, το οποίο χρησιμοποιεί σύστημα μεταφορέα τυχαία προσπέλασης, η αύξηση του αριθμού των χρηστών πέραν μιας τιμής κατωφλιού μπορεί να επηρεάσει σοβαρά την ποιότητα των υπηρεσιών στο δίκτυο. Το QoS εφαρμογών, η διάρκεια κλήσεων και η συνάρτηση υπολογισμού του κόστος σηματοδότησης που λαμβάνει υπόψιν τους πόρους του δικτύου, τη σηματοδότηση και τις πιθανές υπερφορτώσεις που συμβαίνουν στη δρομολόγηση των κλήσεων (συμπεριλαμβανομένου της ταυτοποίησης, αδειοδότησης) είναι ένας άλλο συνδυασμός που μπορεί να μελετηθεί. Η μεγιστοποίηση του QoS που βιώνει κάθε χρήστης, όπου οι υπηρεσίες των χρηστών βελτιστοποιούνται με την απόφαση για ένα καλύτερο δίκτυο για όλες τις συνεδρίες ή την επιλογή για ένα σύνολο δικτύων προσαρμοσμένων στις διαφορετικές συνεδρίες του χρήστη, έχει θεωρηθεί επίσης ως πιθανό κριτήριο απόφασης. Μια διαδικασία εξάλειψης δίκτυο χρησιμοποιείται για να περιορίσει τα κατάλληλα δίκτυα που πρέπει να εξεταστούν για τη μεταπομπή. Μια συνάρτηση κόστους μεταπομπής που αντιπροσωπεύει τις δυναμικές τιμές που ενυπάρχουν στη κάθετη ορίζεται και χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του όφελους που λαμβάνεται με τη μεταφορά όλων των συνεδριών ολοκληρωμένα σε ένα δίκτυο ή τη μεταφορά διαφορετικών δικτύων σε διαφορετικές συνεδρίες. Ένας ακόμα ενδιαφέρον στόχος της απόφασης μεταπομπής είναι η συνολική βελτιστοποίηση των επιδόσεων του δικτύου πρόσβασης, από την λογική της διάρκειας ζωής της μπαταρίας των κινητών κόμβων και την εξισορρόπηση φορτίου στα δίκτυα πρόσβασης. Η προσπάθεια αυτή ήταν μια φυσική συνέχεια για την υιοθέτηση της συνάρτησης μεταπομπής ανεξαρτήτου μέσω (MIHF) που προτάθηκε για ανταλλαγή μηνυμάτων στο πρότυπο IEEE Το MIHF διατήρησε τις πληροφορίες διάρκειας ζωής της μπαταρίας του κινητού αλλά και του φορτίου στα σημεία πρόσβασης. Πολλές πρωτοβουλίες έχουν επικεντρωθεί στον περιορισμό του αριθμού των μεταβιβάσεων στο ελάχιστον, λαμβάνοντας παράλληλα υπόψη της 70

73 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή ολοκληρωμένη αξιοποίηση του δικτύου ή την αξιοποίηση των ασύρματων πόρων και του QoS των ενεργών εφαρμογών από άποψη εύρους ζώνης και καθυστέρησης απόκρισης. Μια άλλη ενδιαφέρουσα προσέγγιση επεκτείνει τη χρήση WLAN όσο το δυνατόν περισσότερο με σκοπό τη μείωση του κόστους και την παροχή καλύτερων ρυθμών μεταφοράς δεδομένων για τις εφαρμογές δεδομένων. Ο χρόνο παραμονής σε δίκτυα WLAN είναι ένα σημαντικός παράγοντας για να εξετάσουμε αν θέλουμε να επεκτείνουμε την αξιοποίηση του WLAN, ειδικά όταν κινούμαστε από WLAN σε κυψελοειδές. Αυτή η προσέγγιση βέβαια δεν είναι κατάλληλη για εφαρμογές πραγματικού χρόνου Αλγόριθμοι Απόφασης Μεταπομπής Στη συνέχεια, παραθέτουμε ορισμένους προτεινόμενους αλγόριθμους που χαρακτηρίζονται από την προσέγγιση που χρησιμοποιείται από τον καθένα. Υπάρχουν αρκετοί ενδιαφέροντες αλγόριθμοι απόφασης μεταπομπής που έχουν διερευνηθεί και εμείς συζητάμε ένα επιλεγμένο σύνολο των εν λόγων αλγορίθμων. Συστήματα Βασισμένα στη Γνώση Η αναγνώριση προτύπων μπορεί να απλοποιήσει τη διαδικασία λήψης αποφάσεων όταν πολλαπλά κριτήρια πρέπει να εξεταστούν και τα συστήματα που βασίζονται στη γνώση θεωρούνται ιδιαίτερα κατάλληλα για το σκοπό αυτό. Η ασαφής λογική και τα νευρωνικά δίκτυα είναι κατάλληλα λόγω της μη γραμμικότητας τους και των δυνατοτήτων γενίκευσης που βοηθούν στη ταξινόμηση προτύπων. Τα νευρωνικά δίκτυα έχουν έξοδα κατάρτισης και απαιτούν δεδομένα εκπαίδευσης και προ-εκπαίδευση. Ωστόσο, όταν γίνει η εκπαίδευση, αλγόριθμοι πολλαπλών κριτηρίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να βελτιστοποιηθούν, ακόμα και όταν υπάρχουν αντικρουόμενα κριτήρια. Η ασαφής λογική επιτρέπει την ταυτόχρονη αξιολόγηση διαφόρων κριτηρίων μεταπομπής, αυξάνοντας έτσι την ακρίβεια των αποφάσεων μεταπομπής μέσω απλών μαθηματικών λειτουργιών. Ωστόσο, μειονεκτούν λόγω του περιορισμού στην πολυπλοκότητα του αλγορίθμου και των υπολογισμών καθώς ο αριθμός κριτηρίων αυξάνεται. Αρκετά κριτήρια μεταπομπής όπως π.χ. τα RSS, SNR, BER, το κόστος της μεταπομπής, η καθυστέρησης απόκρισης και ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων μπορούν να συνδυαστούν σε φορείς ενός προτύπου. Ένας κινητός κόμβος διατηρεί αρκετούς τέτοιους φορείς ανάλογα με τα σήματα που παραλαμβάνει από τα σημεία πρόσβασης ή τους σταθμούς βάσης. Οι εξαδιάστατοι φορείς προτύπου τροφοδοτούνται στη συνέχεια σε ένα fuzzifier, το οποίο καθορίζει το καλύτερο σημείο πρόσβασης ή το σημείο σύνδεσης στο οποίο πρέπει να συνδεθεί ένα τερματικό. Η έξοδος είναι είναι μία τιμή. Αν αυτή η τιμή βρίσκεται χαμηλότερα από ένα κατώτατο όριο για το τρέχον σημείο πρόσβασης, το κινητό τερματικό θα εκκινήσει τη μεταπομπή για το σημείο πρόσβασης το οποίο έχει την υψηλότερη τιμή από αυτές που μετρήθηκαν. Ένας έξυπνος αλγόριθμος που χρησιμοποιεί νευρωνικά δίκτυα για να κάνει προβλέψεις πάνω στον αριθμό των χρηστών στο δίκτυο μετά τη μεταπομπής, μπορεί να αποτελέσει 71

74 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή σημαντικό κριτήριο μεταπομπής. Αυτή η προβλεπόμενη τιμή είναι μία από τις εισόδους, μαζί με το απαιτούμενο εύρος ζώνης και την ταχύτητα του κινητού τερματικού. Αυτές οι είσοδοι εισέρχονται σε ένα ασαφές σύστημα με πολλαπλά κριτήρια το οποίο παίρνει την απόφαση για το πιο κατάλληλο δίκτυο για τη μεταπομπή. Η αλλαγή του αριθμού των χρηστών στο δίκτυο μετά τη μεταπομπή είναι μη γραμμική. Ως εκ τούτου, αυτά τα μη γραμμικά δυναμικά χαρακτηριστικά τοποθετούνται σε ένα νευρωνικό δίκτυο Elman (ENN). Για να επιταχυνθεί η σύγκλιση του ENN, οι συγγραφείς πρότειναν τη δημιουργία μιας τροποποιημένης ENN (MENN). Η ταχύτητα του κινητού χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμού του ρυθμό στον οποίο ο χρήστης μπορεί να κινηθεί μέσα και έξω από την κάλυψη ενός WLAN, το οποίο χρησιμοποιείται για να πάρει την απόφαση απώθησης. Μοντέλα Markov Μια διαδικασία απόφασης Markov (MDP) μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά για αποφάσεις μεταπομπής. Μια συνάρτηση παροχής συνδέσμου σε κάθε εφαρμογή ορίστηκε με βάση το QoS της. Μια συνάρτηση κόστους σηματοδότησης,η οποία καθορίζει τα γενικά έξοδα σηματοδότησης και επεξεργασίας κατά την κάθετη μεταπομπή εξετάστηκε και εξαρτάται από την πολυπλοκότητα της αναδρομολόγησης της κλήσης, η οποία με τη σειρά της εξαρτάται από το είδος των δικτύων, των παροχών υπηρεσιών και των πολιτικών τιμολόγησης τους. Στη MDP, οι εποχές ορίζονται όταν το κινητό τερματικό παίρνει κάποια απόφαση σχετικά με τις ενέργειες που πρέπει να λάβει, οι οποίες με τη σειρά τους εξαρτώνται από την τρέχουσα κατάσταση των διαφορετικών σημείων πρόσβασης που διατηρούνται από τα τμήματα της MDP. Αυτά τα τμήματα διαθέτουν πληροφορίες που αφορούν την ταυτότητα του δικτύου, το εύρος ζώνης, την καθυστέρησης και τα συστεγαζόμενα δίκτυα. Ένας κανόνας απόφασης χρησιμοποιήθηκε για να αναλάβει δράση. Επίσης, η συνάρτηση ανταμοιβής ενσωματώθηκε στο MDP, η οποία ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ της συνάρτησης παροχής συνδέσμου και της συνάρτησης κόστους σηματοδότησης. Ο στόχος είναι να μεγιστοποιηθεί η συνάρτηση ανταμοιβής. Η επιλογή του δικτύου για κάθετη μεταπομπή μπορεί να μοντελοποιηθεί από μια διαδικασία αναλυτικής ιεραρχίας (AHP) και της Σχεσιακή Ανάλυση Γκρι (GRA), ή,μπορεί να αποφασιστεί η χρήση μιας στρατηγικής βασισμένη στη ωφελιμότητα. Ένα πλαίσιο πολλαπλών πλαισίων για την κάθετη μεταπομπή θα έχει διακριτά πλεονεκτήματα. Η απόφαση κάθετης μεταπομπής μπορεί να αξιολογηθεί μέσω μια συνάρτησης κόστους μεταπομπής και μιας συνάρτησης ελέγχου κατώτατου ορίου μεταπομπής, τα οποία μπορούν να προσαρμοστούν στις αλλαγές του περιβάλλοντος του δικτύου δυναμικά. Βελτιστοποίηση Πολλά κριτήρια μεταπομπής μπορούν να οριστούν και μια βελτιστοποίηση σε όλα αυτά τα κριτήρια για την επιλογή του καλύτερου δικτύου μπορεί να επιχειρηθεί. Η χρήση μιας συνάρτησης κόστους για τον καθορισμό του καλύτερου δικτύου για τη μεταπομπή, βασισμένη στις μετρήσεις που έχουν παρθεί από το χρήστη όπως το χρηματικό κόστος, οι συνθήκες του δικτύου, οι συνθήκες του κινητού τερματικού, οι προσφερόμενες υπηρεσίες και οι προτιμήσεις των χρήστων, με στόχο να μεγιστοποιηθεί το QoS στο 72

75 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή χρήστη, μπορεί να υιοθετηθεί. Μια διαδικασία με σκοπό τη μείωση των καθυστερήσεων και της ισχύς στις μεταπομπές μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίσης. Το πρόβλημα είχε διατυπωθεί ως ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης και δύο προσεγγίσεις ερευνήθηκαν. Η πρώτη αφορά έναν χρήστη που έχει πολλές συνεδρίες. Σε αυτή τη περίπτωση, η βελτιστοποίηση γίνεται συλλογικά σε όλες τις συνεδρίες και όλες μαζί οι συνεδρίες παραδίδονται στο ίδιο δίκτυο. Στη δεύτερη περίπτωση, η βελτιστοποίηση γίνεται με βάση την υπηρεσία, οπότε διαφορετικές συνεδρίες παραδίδονται σε διαφορετικά δίκτυα Στρατηγικές Εκτέλεσης Μεταπομπής Υπάρχουν τρεις στρατηγικές για την εκτέλεση της μεταπομπής: η μεταπομπή ελεγχόμενη από το κινητό τερματικό (MCHO), η μεταπομπή ελεγχόμενη από το δίκτυο (NCHO) και η μεταπομπή υποβοηθούμενη από το κινητό τερματικό (MAHO). Η MCHO χρησιμοποιείται στο πρότυπο IEEE WLAN, όπου ο κινητός κόμβος παρακολουθεί συνεχώς το επίπεδο του σήματος στα σημεία πρόσβασης και κινεί τη διαδικασία μεταπομπής όταν πληρούνται κάποια κριτήρια. Αντίθετα, η MAHO έχει υιοθετηθεί κυρίως σε ευρεία ασύρματα δίκτυα όπου ένα κινητός κόμβος μετρά τα σήματα των γειτονικών σταθμών βάσης και στη συνέχεια αποφασίζει αν πρέπει ή όχι να κινήσεις τις διαδικασίες για μεταπομπή στο δίκτυο. Η MCHO είναι πλεονεκτική λόγω της χαμηλής πολυπλοκότητας στον εξοπλισμό του δίκτυο. Ωστόσο, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε υψηλή καθυστέρηση απόκρισης και απώλεια μεγάλου αριθμού πακέτων κατά τη διάρκεια της μεταπομπής μεταξύ του υποδικτύο, επειδή το δίκτυο δεν έχει γνώση σχετικά με τις κινήσεις του κινητού κόμβου μέχρι το κινητό να ανακοινώσει τη παρουσία του στο νέο υποδίκτυο. Η επαναδρομολόγηση μπορεί να ξεκινήσει μόνο μετά την ανίχνευση του κινητού στο νέο δίκτυο. Η λύσεις μικρο-κινητικότητας που συζητήθηκαν νωρίτερα λύνει του πρόβλημα της περιαγωγής μεταξύ υποδικτύων. Ωστόσο, η περιαγωγή μεταξύ domain εξακολουθεί να συμβαίνει με μεγάλες καθυστερήσεις για το δίκτυο. Η απόφαση μεταπομπής στη MAHO γίνεται από το δίκτυο, το οποίο μπορεί να βοηθήσει στην καθολική βελτιστοποίηση και συντονισμό μεταξύ των κινητών κόμβων. Ωστόσο, για μεταπομπή μεταξύ ετερογενών ασύρματων τεχνολογιών δικτύου πρόσβασης, καθώς μόνο οι κινητοί κόμβοι έχουν γνώση σχετικά με το είδος των διεπαφών που διαθέτουν, η εξάρτηση του δικτύου στο κινητό κόμβο είναι η υψηλή. Επίσης, το δίκτυο μπορεί να μην έχει γνώση σχετικά με το μελλοντικό δίκτυο μέσα στο οποίο θα κινηθεί ο κινητός κόμβος, εκτός και αν χρησιμοποιηθούν κάποια συστήματα πρόγνωσης. Ως εκ τούτου, η MCHO και κάποια βοήθεια από τα δίκτυα θεωρείται πιο κατάλληλη για την κάθετη μεταπομπή Προσεγγίσεις Υλοποίησης Μεταπομπής Ενώ οι παραπάνω συζητήσεις έχουν ασχοληθεί με τα κριτήρια απόφασης μεταπομπής και με αλγορίθμους που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτιστοποίηση της διαδικασία μεταπομπής, οι πτυχές της υλοποίησης είναι εξίσου σημαντικές, αφού θα μπορούν να εκτελέσουν μηχανισμούς για την ανταλλαγή μηνυμάτων και την διευκόλυνση της 73

76 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή υλοποίησης λύσης. Στην ενότητα αυτή, θα αναφερθούμε σε ορισμένα τέτοια θέματα. Μερικές ερωτήσεις που θα βοηθήσουν στην αντιμετώπιση όλων των πτυχών της υλοποίησης είναι ως εξής: 1. Ποια είναι τα χαρακτηριστικά μηνύματα που ανταλλάσσονται; 2. Ποια είναι τα τμήματα του δικτύου που είναι πιο κατάλληλα για το χειρισμό αυτών των μηνυμάτων; 3. Ποια είναι η σειρά με την οποία τα μηνύματα πρέπει να ανταλλάσσονται και οι λειτουργίες να εκτελούνται; Εκτός από τα κριτήρια απόφασης και τη βελτιστοποίηση σε διάφορα τέτοια κριτήρια, είναι εξίσου σημαντικό ότι η ίδια η διαδικασία της μεταπομπής πρέπει να εκκινηθεί τη σωστή στιγμή και να ολοκληρωθεί όπως αναμενόταν εντός κάποιων προκαθορισμένων προθεσμιών. Η υλοποίηση θα πρέπει να επιτευχθεί εύκολα με τις ελάχιστες αλλαγές στις υφιστάμενες οντότητες του δικτύου και διαδικασίες κινητικότητας. Περιττό να πούμε ότι η υλοποίηση θα πρέπει να εξετάσει τη χρήση μόνο καινούργιων πληροφοριών καθώς οι καθυστερήσεις επεξεργασίας δεδομένων είναι κρίσιμες από αυτή την οπτική γωνία. Πολύ συχνά, υπό αυτές τις συνθήκες, καθίσταται απαραίτητα να χρησιμοποιηθούν προβλεπόμενα συστήματα το οποία είναι πολύ δημοφιλή στα περισσότερα συστήματα. Το πλαίσιο IETF Ένα πλαίσιο για τις τακτικές του ελέγχου υποδοχής προτάθηκε, το οποίο υποστηρίζει μια τακτική αρχιτεκτονικής δικτύωσης για τους αλγόριθμους απόφασης κάθετης μεταπομπής. Το RFC (Request for Comments) καθορίζει ένα πλαίσιο για να μετατρέψει ένα σύνολο από κανόνες τακτικής σε ένα σύνολο από κανόνες διαμόρφωσης του δικτύου της συσκευής. Τα δύο βασικά αρχιτεκτονικά στοιχεία της τακτικής είναι το σημείο επιβολής της τακτικής (PEP) και το σημείο απόφασης τακτικής (PDP). Το PEP είναι ένα στοιχείο που λειτουργεί σε ένα κόμβο δικτύου, το οποίο εκπροσωπείται από το σημείο πρόσβασης σε μια μεταπομπή ελεγχόμενη από το δίκτυο ή από το κινητό τερματικό σε μία μεταπομπή υποβοηθούμενη από το κινητό. Αυτό είναι το σημείο όπου οι τακτικές εφαρμόζονται. Οι αποφάσεις τακτικές παίρνονται από το PDP και βασίζονται στις τακτικές που εξάγονται από τη βάση δεδομένων τακτικών. Λειτουργίες Μεταπομπής ανεξάρτητες από το Μέσο Μια απλή στρατηγική υλοποίησης προτάθηκε, η οποία χρησιμοποιεί τα υπάρχοντα πρωτόκολλα και τις λειτουργίες για την ανταλλαγή μηνυμάτων μεταπομπής και η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλές τεχνολογίες πρόσβασης, καθώς και σε πολλαπλούς χρήστες. Μια κοινή γλώσσα, όπως παρέχεται από το MIHF μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το σκοπό αυτό. Οι αποφάσεις κάθετης μεταπομπής πρέπει να εφαρμοστούν στους ελεγκτές απόφασης κάθετης μεταπομπής (VHDC), που βρίσκονται στα δίκτυα πρόσβασης. Το MIHF παρέχει τυπικές ανταλλαγές μηνυμάτων μεταξύ των σημείων πρόσβασης για την ανταλλαγή πληροφοριών που αφορούν τις τρέχουσες συνθήκες σύνδεσης, το φόρτο κυκλοφορίας, τη χωρητικότητα του δικτύου. Οι εκκινητές του στρώματος ζεύξης (LLT) είναι διαθέσιμοι στο MIHF και χρησιμοποιούνται για την ενεργοποίηση της λειτουργίας VHDC. Οι LLT μπορούν να εκκινηθούν όταν το RSS σε 74

77 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή ένα σημείο πρόσβασης πέσει κάτω από μία ορισμένη τιμή, ή όταν το RSS σε ένα ή περισσότερα σημείο πρόσβασης ξεπεράσει μια ορισμένη τιμή. Ανάλογα με το αν η ενέργεια αυτή οφείλεται ένα από τα δύο κριτήρια, αρκετές συγκεκριμένες αποφάσεις μπορούν να παρθούν, προσαρμοσμένες στις ανάγκες της κάθε περίπτωσης. Μια προσέγγιση Πλαισίου Στο παρελθόν, κάποια ερευνητές πρότειναν ένα πλαίσιο για την εκτέλεση της κάθετης μεταπομπής σε αρκετά διαφορετικά δίκτυα ασύρματης πρόσβασης. Ο κύριος στόχος σε αυτό το έργο ήταν να δημιουργηθεί μια εύκολα υλοποιήσιμη λύση. Αν και δεν υπάρχουν συγκεκριμένα πρότυπα που έχουν εγκριθεί σε αυτή τη πρόταση, οι συγγραφείς επικεντρώθηκαν στην αξιοποίηση τον υφιστάμενων συστημάτων κινητικότητας, τα οποία θα προκαλούσαν την λιγότερη αναστάτωση στους υφιστάμενους μηχανισμούς, με παράλληλη στόχευση τη προσαρμοστικότητα της λύσης στα μελλοντικά ασύρματα δίκτυα και τις τεχνολογίες. Ορίζουν ένα παγκόσμιο πρωτόκολλο κινητικότητας, το οποίο αποτελείται από διάφορα στοιχεία πρωτοκόλλου εντός του πλαισίου. Αυτά τα στοιχεία βρίσκονται σε διάφορους κόμβους εντός των δικτύων πρόσβασης και του CN (core network), επεκτείνοντας έτσι το πλαίσιο λύσης σε όλα τα δίκτυα. Αυτό οδηγεί επίσης σε μια κατανεμημένη προσέγγιση η οποία μειώνει τις αποτυχίες και τις εξαρτήσεις από ένα μόνο σημείο. Η μονάδα ελέγχου κινητικότητας ονομάζεται παράγοντας ιεραρχικής κινητικότητας ενδοσυστήματος (HIMA) για τον κινητό χρήστη. Έχει τη δυνατότητα να βρίσκεται στην κατάλληλη ιεραρχία, καθώς περιπλανιέται στα διάφορα ασύρματα δίκτυα, ανάλογα με τη διάρκεια κινητικότητας του χρήστη. Τα στοιχεία του παγκόσμιο πρωτοκόλλου κινητικότητας φαίνονται στο παρακάτω σχήμα, μαζί με τα τοπικά πρωτόκολλα κινητικότητας στα ασύρματα δίκτυα. Τα βελάκια δείχνουν την αλληλεπίδραση και κάθε ροή ελέγχου και πληροφορίας μεταξύ των στοιχείων των πρωτοκόλλων. Με τη χρήση αυτής της προσέγγισης, μια ομαλή μεταπομπή μεταξύ των λειτουργιών του επιπέδου 3 και του επιπέδου 2 μπορεί να επιτευχθεί. Τα διακεκομμένα τετράγωνα υποδεικνύουν την πρόβλεψη για επέκταση του πλαισίου σε οποιοδήποτε αριθμό ιεραρχικών επιπέδων. Παρόλο ο HIMA προτείνεται για συνύπαρξη σε μερικά σημεία ελέγχου στο CN και θεωρείται ότι έχει την ελάχιστη επεξεργασία βάσης δεδομένων, τα γενικά έξοδα της επέκτασης σε περισσότερα από δύο επίπεδα ιεραρχίας δεν μπορούν να δικαιολογηθούν πάντα. Ως εκ τούτου, ο αριθμός των επιπέδων ιεραρχικού ελέγχου που χρησιμοποιούν το HIMA είναι ευθύνη του δικτύου και του παροχέα υπηρεσιών. 75

78 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή Σχήμα 4.3: Πλαίσιο Πρωτοκόλλου Κινητικότητας 4.5.Αρχιτεκτονικές για την Ενσωμάτωση των Ετερογενών Ασύρματων Δικτύων Ένας σχεδιασμός του δικτύου αρχίζει συνήθως με μια μελέτη της αρχιτεκτονικής, η οποία είναι κατάλληλη για την υποστήριξη μιας εφαρμογής. Κατά το σχεδιασμό της αρχιτεκτονικής του δικτύου, η έρευνες όπως το είδος του πληθυσμού των χρηστών, η επιθυμητή παροχή υπηρεσιών τους, οι απαιτήσεις ρυθμού δεδομένων, οι διαθέσιμες δυνατότητες και οι περιορισμοί του κόστους θα πρέπει να ληφθούν υπόψιν. Παρομοίως, ο σχεδιασμός ή η ανάπτυξη μιας λύσης σε ένα πρόβλημα που εκτείνεται σε διάφορα δίκτυα είναι απαραίτητη με μια αρχιτεκτονική που είναι σε θέση να αντιμετωπίσει το πρόβλημα υπό εξέταση με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Στην περίπτωση αυτή, μια απρόσκοπτη μεταπομπή των χρηστών κινητής τηλεφωνίας με ενεργές συνδέσεις σε διάφορα ετερογενή ασύρματα δίκτυα είναι επιθυμητή. Η υποδομή των σχετικών δικτύων, οι τεχνολογίες τους, οι διάφοροι πάροχοι με τις διαφορετικές πολιτικές και τους στόχους και τέλος οι προτιμήσεις των χρηστών και οι απαιτήσεις του πρέπει να ληφθούν υπόψη. Τις περισσότερες φορές, τέτοιες αρχιτεκτονικές μελέτες επηρεάζονται από τους στόχους της διερευνήσεις και διαφορετικές αρχιτεκτονικές προκύπτουν, βασιζόμενες σε αυτό που οι ερευνητές θεωρούν ότι είναι βέλτιστο, αν και όλες οι προσπάθειες κατευθύνονται προς έναν κοινό στόχο. Μια αναποτελεσματική αρχιτεκτονική γιαν την τοποθεσία και τη διαχείριση της κινητικότητας μπορεί να οδηγήσει σε ανεπάρκειες στην επεκτασιμότητα σηματοδότησης και καθυστέρηση απόκρισης κατά τη μεταπομπή. Αυτό δεν μπορεί να είναι αποδεκτό σε μια υποδομή η οποία πρέπει να παρέχει παγκόσμια υποστήριξη κινητικότητας σε δυνητικά δισεκατομμύρια κινητούς κόμβους με συγκεκριμένα αυστηρά όρια απόδοσης. Αυτά τα όρια των επιδόσεων που σχετίζονται με πραγματικό χρόνο κυκλοφορίας πολυμέσων, ο οποίος τείνει να γίνει ο κυρίαρχος τρόπος κυκλοφορίας στα τρέχοντα δίκτυα. 76

79 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή Στενά και Χαλαρά συνδεδεμένες Αρχιτεκτονικές Πριν παρουσιάσουμε κάποια συγκεκριμένη αρχιτεκτονική που αντιμετωπίζει το πρόβλημα της κάθετης μεταπομπής, θα θέλουμε να αναφέρουμε δύο κατηγορίες ετερογενών ασύρματων αρχιτεκτονικών δικτύων ενοποίησης, δηλαδή τις στενά και τις χαλαρά συνδεδεμένες αρχιτεκτονικές. Οι αρχιτεκτονικές αυτές εξετάστηκαν στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού Ινστιτούτου Τηλεπικοινωνιακών Προτύπων (ETSI) που είχε ως στόχο τη διαδικτύωση μεταξύ WLAN και κυψελοειδών δικτύων το Ένας από τους σημαντικότερους στόχους αυτής της αρχιτεκτονικής ενοποίησης ήταν η κάθετη μεταπομπή. Αν και οι κατηγορίες ορίστηκαν με σκοπό την δικτυακή ολοκλήρωση των κυψελοειδών δικτύων και των WLAN, οι έννοιες μπορούν εύκολα να επεκταθούν και σε άλλα ασύρματα δίκτυα. Στη στενά συνδεδεμένη αρχιτεκτονική, το WLAN λειτουργεί ως ένα εικονικό ασύρματο δίκτυο πρόσβασης (RAN) σε ένα κυψελοειδές σύστημα. Για να συνδεθεί στο Internet, η ροή δεδομένων στο WLAN πρέπει να περάσει μέσω του κυψελοειδούς δικτύου. Το κύριο χαρακτηριστικά της στενά συνδεδεμένης αρχιτεκτονικής είναι ότι τα συστήματα μεταπομπής και ασφάλεια στο WLAN ελέγχονται αποκλειστικά από τα συστήματα μεταπομπής και ασφάλειας του κυψελοειδούς συστήματος. Το κύριο μειονέκτημα ήταν η δυσκολία στην υποστήριξη της διεπαφής WLAN στο κυψελοειδείς κόμβος, δηλαδή στους GSN, και η επιβάρυνση των επιδόσεων στο κυψελοειδές σύστημα, η οποία αφορούσε τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ WLAN και Διαδικτύου. Σε μια χαλαρά συνδεδεμένη αρχιτεκτονική, το WLAN πρόκειται να αναπτυχθεί ως ένα δίκτυο πρόσβασης που θα συμπληρωνόταν τα κυψελοειδή δίκτυα. Με άλλα λόγια, η πρόσβαση στο Διαδίκτυο δεν θα έπρεπε να γίνει μέσω το κυψελοειδών δικτύων. Οι χαλαρά συνδεδεμένες αρχιτεκτονικές παρέχουν ένα ευέλικτο και ανεξάρτητο περιβάλλον και για τις δύο ασύρματες τεχνολογίες, αλλά απαιτείται Mobile IP για την υποστήριξη της κινητικότητας μεταξύ των δύο δικτύων πρόσβασης. Από τις δύο αυτές αρχιτεκτονικές, οι χαλαρά συνδεδεμένες χρησιμοποιείται περισσότερο, λόγω της ανεξαρτησίας της σε συνδυασμό με την ικανότητα για επιτυχή συνύπαρξη Αρχιτεκτονικές Μακρό-Κινητικότητας Mobile IPv6 Με την έλευση του Mobile IPv6 και με τις πιο σύγχρονες λύσεις κάθετης μεταπομπής να προσπαθούν να καθορίσουν το Mobile IPv6 ως ένα αναπόσπαστο μέρος της αρχιτεκτονικής, είναι σκόπιμο σε αυτό το σημείο να επανεξεταστεί η διαφορά στην υποστήριξη της κινητικότητας στο IPv6. Το Mobile IPv6 διατηρεί τις ιδέες του οικιακού δικτύου, του οικιακού πράκτορα και της ενθυλάκωσης για της παράδοση πακέτου από το οικιακό δίκτυο στο τρέχον δίκτυο ή στο σημείο προσάρτησης του κινητού κόμβου. Η ανακάλυψη μιας διεύθυνσης φύλαξης εξακολουθεί να απαιτείται, αλλά ο κινητός κόμβος μπορεί να διαμορφώσει τη διεύθυνση φύλαξης χρησιμοποιώντας αυτόδιαμόρφωση ανεξάρτητων διευθύνσεων και ανακάλυψη γειτονικών κόμβων. Έτσι, οι ξένοι πράκτορες δεν απαιτείται να λειτουργούν με Mobile IPv6. Η βελτιστοποίηση των δρομολογίων επιτυγχάνεται μέσω ενός κινητού κόμβου που αποστέλλει δεσμευτικές ενημερώσεις στο 77

80 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή κόμβο-ανταποκριτή, σύμφωνα με τις οποίες ένα απομακρυσμένος κόμβος-ανταποκριτής μπορεί να παραδώσει τα πακέτα απευθείας στο κινητό κόμβο σε ξένο δίκτυο. Ωστόσο, όλοι οι κόμβοι IPv6 αναμένεται να έχουν τη δυνατότητα να γίνουν κόμβοι-ανταποκριτές, το οποίο το καθιστά εύκολο από άποψη εκτέλεσης. Οι δεσμευτικές ενημερώσεις μπορούν να αντιμετωπιστούν μέσω της δυνατότητας επιλογής προορισμού IPv6. Οι κόμβοιανταποκριτές IPv6 μπορούν να χρησιμοποιήσουν τις IPv6 κεφαλίδες δρομολόγησης. Έχοντας συζητήσει ορισμένα βασικά στοιχεία σε αρχιτεκτονικά ζητήματα που μπορούν να βοηθήσουν στην απρόσκοπτη εκτέλεση της κάθετης μεταπομπής, παρουσιάζουμε τώρα μερικές από τις προσπάθειες που είναι βασισμένες σε αυτές τις έννοιες. Από τα πρώτα βήματα στο σχεδιασμό αρχιτεκτονικών για την ενσωμάτωση ετερογενών ασύρματων δικτύων, δύο μεγάλα έργα που διαχειρίστηκαν την περιαγωγή σε ευρεία κλίμακα αξίζει να αναφερθούν. Το πρόγραμμα ECRP και το πρόγραμμα BARWAN. ECRP Το ECRP (European Commission Research Program) πήρε μια σειρά από πρωτοβουλίες που είχαν ως στόχο τη διεύρυνση του πεδίου των απαιτήσεων μέσω διαφορετικών σχεδία, για να αντιμετωπίσουν ορισμένα συναφή ζητήματα. Το πρόγραμμα MATRICE1 επικεντρώθηκε στα στρώματα 1 έως 3 για την υποστήριξη των αλγορίθμων IP και μεταπομπής για μετάβαση από 3G σε WLAN. Το πρόγραμμα TWSN χρησιμοποίηση τις βασικές πτυχές των αξιολογήσεων του QoS για ασύρματο περιβάλλον πολυμέσων. BARWAN Σε αντίθεσή με την παραπάνω πρωτοβουλία που αποτελούνταν από πολλά επιμέρους έργα, το BARWAN ήταν ένα μεγάλο έργο-δοκιμή με σκοπό τη μελέτη και διερεύνηση της έννοιας της κάλυψης ομπρέλα που παρέχεται από τους διάφορους τύπους των ασύρματων δικτύων. Το έργο ενοποίησε αρκετά ετερογενή δίκτυα διαφόρων καλύψεων σε ένα λογικό δίκτυο με σκοπό τη παροχή των καλύτερων υπηρεσιών όλων των δικτύων. Τα ασύρματα δίκτυα στο λογικό δίκτυο αποτελούνται από δορυφορικά δίκτυα με περιφερειακή κάλυψη, κυψελοειδή δίκτυα με ευρεία κάλυψη αλλά και δίκτυα με μικρότερη κάλυψη. Το έργο χειρίστηκε διάφορα θέματα όπως η βελτίωση της απόδοσης του TCP, η βέλτιστη χρήση των υπηρεσιών και η απρόσκοπτη μεταπομπής στο πλαίσιο της εφαρμογή της κάλυψης ομπρέλα. Ο στόχος ήταν να μετακινηθεί η πολυπλοκότητα στην υποδομή, να επιτραπεί η χρήση μικρών ελαφριών φτηνών κινητών συσκευών με υψηλές δυνατότητες. 78

81 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή Σχήμα 4.4: Project BARWAN Η παραπάνω εικόνα δείχνει σχηματικά αυτό που προτείνεται από το project BARWAN, το οποίο δείχνει πως το έργο εκμεταλλεύεται τις υφιστάμενες υποδομές δίκτυο για την οικοδόμησης μιας συλλογής δικτύων. Παραπάνω, βλέπουμε ένα δίκτυο σε ένα κτίριο το οποία είναι κάτω από τη κάλυψη ομπρέλας ενός δικτύου πανεπιστημιούπολης που καλύπτεται από ένα μητροπολιτικό δίκτυο, το οποίο με τη σειρά του καλύπτεται από ένα δορυφορικό δίκτυο που έχει πολύ μεγάλη γεωγραφική κάλυψη, αλλά έχει προβλήματα καθυστέρησης απόκρισης. Τα χαμηλότερα επίπεδα στην ιεραρχία της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής αποτελούνται από ασύρματες κυψέλες υψηλού εύρους ζώνης που καλύπτουν μια σχετικά μικρή περιοχή, ενώ τα υψηλότερα επίπεδα στην ιεραρχία παρέχουν χαμηλότερο εύρος ζώνης ανά μονάδα σύνδεσης περιοχής, καλύπτονται μια μεγάλη γεωγραφική περιοχή. Το project BARWAN ήταν δοκιμαστικό και χρησιμοποιήθηκαν υπάρχουσες τεχνολογίες δικτύωσης χωρίς πολλές τροποποιήσεις. Μια πτυχή που αξίζει να σημειωθεί είναι η χρήση οποιασδήποτε ισχυρής υποδομής που ήταν διαθέσιμη σε μεγάλο βαθμό, ενώ παράλληλα ήταν αποδοτική και επαρκώς επεκτάσιμη. Το σχέδιο BARWAN ελαχιστοποίησε την καθυστέρηση απόκρισης της μεταπομπής για μεμονωμένους χρήστες, διατηρώντας παράλληλα το κόστος εύρος ζώνης και κατανάλωσης ενέργειας σε χαμηλά επίπεδα. Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, η κάθετη μεταπομπή αντιμετωπίστηκε με δύο βασικές κατηγορίες: την άνωθεν μεταπομπή και την κάτωθεν μεταπομπή. Η κάτωθεν μεταπομπή θεωρήθηκε λιγότερο κρίσιμη καθώς το κινητό μπορούσε να μείνει συνδεδεμένο με το ανώτερο δίκτυο μέχρι τη μεταπομπή. Η μεταπομπή ξεκινούσε από το κινητό τερματικό, το οποίο θα παρακολουθούσε τους σταθμούς βάσης. Η άνωθεν μεταπομπή ξεκινούσε όταν το κινητό τερματικό δεν λάμβανε σηματοδότηση από τα τρέχον δίκτυα. Ένα έξυπνο σύστημα υιοθετήθηκε, στο οποίο το κινητό τερματικό προσδιόριζε δύο σταθμούς βάσης, όπου ο ένας θα διαβίβαζε τα πακέτα και ο άλλος θα 79

82 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή φόρτωνε τα πακέτα, εν αναμονή της μεταπομπής. Έτσι, κατάφερνε να επιτευχθεί η απρόσκοπτη μεταπομπή. Αρχιτεκτονικές Ενσωμάτωσης Κυψελοειδούς/WLAN Στις αρχές του 2000 υπήρξε μια αναταραχή των ερευνητικών πρωτοβουλιών για την ενσωμάτωση των κυψελοειδών δικτύων και των WLAN. Αυτή ήταν η στιγμή όπου τα κυψελοειδή δίκτυα άρχισαν να γίνονται ψηφιακά και άρχισαν να υποστηρίζουν υπηρεσίες δεδομένων. Παράλληλα, τα WLAN άρχισαν να γίνονται δημοφιλή με τον υψηλό ρυθμό δεδομένων και τη σύνδεση στο Ίντερνετ. Εκείνη την εποχή, αρκετές ερευνητικές προσπάθειες κατευθύνθηκαν προς αυτή τη μελέτη. Το 3GPP εισήγαγε μια πρότυπο αρχιτεκτονική για να δώσει τη δυνατότητα στους διαχειριστές συστημάτων 3GPP να παρέχουν δημόσια πρόσβαση WLAN, ως αναπόσπαστο στοιχείο της συνολικής υπηρεσίας που προσφερόταν για τους χρήστες Αρχιτεκτονικές Μικρό-Κινητικότητας CellularIP και HAWAII Τα Cellular IP και HAWAII ήταν δύο δημοφιλή εισαγωγικά σχέδια μικρό-κινητικότητας. Το HAWAII χρησιμοποιήθηκε για προσέγγιση με βάση τον τομέα, για την υποστήριξη της κινητικότητας με εξειδικευμένα συστήματα ρύθμισης διαδρομής με καταχωρήσεις προώθησης με βάση τον host με σκοπό την υποστήριξη της μικρο-κινητικότητας εντός ενός τομέα. Ωστόσο, θεωρείται ότι οι σταθμοί βάσης είχαν δυνατότητα λειτουργίας με IP δρομολόγηση και υπέστησαν ένα υψηλότερο φορτίο επεξεργασία σε κινητούς κόμβους περιορισμένης ισχύος. Από την άλλη πλευρά, το Cellular IP διατήρησε μια κατανεμημένη κρυφή μνήμη για διαχείριση τοποθεσίας και για λόγους δρομολόγησης. Η κατανεμημένη κρυφή μνήμη για δρομολόγηση διατήρησε τη θέση όλων των ενεργών κινητών και δυναμικά ανανέωνε τη κατάσταση δρομολόγησης για την αντιμετώπιση της μεταπομπής. Όταν ένας ενεργός κινητός κόμβος πλησίαζε ένα νέο σταθμό βάσης, θα μεταδιδόταν ένα πακέτο ενημέρωσης δρομολόγησης από το παλιό στο νέο σταθμό βάσης. Ιεραρχικό Mobile IPv6 (HMIPv6) To HMIPv6 είναι μια ιεραρχική αρχιτεκτονική για τη μικρό-κινητικότητα, βασισμένη στο Mobile IPv6. Χωρίζεται σε δύο επίπεδα, το σταθερό σημείο το οποίο είναι σε συγκεκριμένο σημείο κινητικότητας (MAP) και το δεύτερο επίπεδο, που υποστηρίζεται από τους δρομολογητές πρόσβασης. Κάθε κινητός κόμβος στο HMIPv6 απαιτεί δύο διευθύνσεις φύλαξης: μια τοπική και μια σε σύνδεσμο. Όταν ένα κινητός κόμβος κινείται σε ένα ξένο δίκτυο, στέλνει δύο δεσμευτικές ενημερώσεις, μία στον κόμβο ανταποκριτή και μία, η οποία είναι σαν τοπική δεσμευτική ενημέρωση σε ένα MAP, το οποίο αποτελεί τη ρίζα, το σταθερό σημείο, της ιεραρχικής αρχιτεκτονικής. Όταν ο κινητός κόμβος μετακινηθεί σε ένα άλλο υποδίκτυο στο ίδιο τομέα, τότε πρέπει να στείλει ενημερώσεις. Η εφαρμογή του HMIPv6 σε ένα απλό κινητό κόμβο με χαμηλές δυνατότητες επεξεργασίας μπορεί να είναι αναποτελεσματική. 80

83 Κεφάλαιο 4 Ετερογενή Δίκτυα και Κάθετη Μεταπομπή Σχήμα 4.5: Ιεραρχικό Mobile IPv6 Πρωτόκολλο διαχείρισης κινητικότητας εντός τομέα (IDMP) Το IDMP για τη διαχείριση του κόμβου κινητικότητας εντός ενός συγκεκριμένου τομέα εισήχθη για να καθορίσει οποιοδήποτε πρόσθετο με τη κινητικότητα χαρακτηριστικό στο επίπεδο IP και δεν βασίζεται ή προϋποθέτει την ύπαρξη συγκεκριμένων χαρακτηριστικών από στα υποκείμενα στρώματα συνδέσμου. Όπως και οι περισσότερες προτάσεις μικρο-κινητικότητας, το IDMP οραματίζεται ότι πολλά IP -υποδίκτυα συγκεντρώνονται σε έναν μόνο τομέα. Όσο κινείται ο κινητός κόμβος εντός ενός μεμονωμένου τομέα, όλα τα κατάλοιπα του που σχετίζονται με την κινητικότητα της σηματοδότησης τοποθετούνται σε ειδικούς κόμβους μέσα στο τομέα. Δεδομένου ότι τα κινητά αλλάζουν τομέα αρκετά σπάνια, η τοποθέτηση αυτή μειώνει τόσο το παγκόσμιο φόρτο σηματοδότησης, αλλά και την καθυστέρηση απόκρισης της ενημέρωσης σημαντικά. Το IDMP είναι μια γενίκευση δύο επιπέδων της κινητής αρχιτεκτονικής IP, μέσα από έναν ειδικό κόμβο που ονομάζεται πράκτορας κινητικότητας (MA), ο οποίος παρέχει αναδρομολόγηση πακέτου. Το IDMP αναλαμβάνει ένα δίκτυο πρόσβασης all-ip όπου η λειτουργικότητα IP επεκτείνεται μέχρι τους κόμβους στο ασύρματο άκρο της περιοχής πρόσβασης, δηλαδή το σταθμό βάσης και θεωρείται ότι ο πράκτορας υποδικτύου (SA), ένας εξειδικευμένος IDMP κόμβος που παρέχει υποστήριξη υποδικτύου στο κινητό, συστεγάζεται με το σταθμό βάσης. 4.6.Συμπεράσματα Σκοπός αυτού του κεφαλαίου ήταν να κάνει τον αναγνώστη να γνωρίσει τη σημασία και τη σημαντικότητα της απρόσκοπτης μεταπομπής σε αρκετά διαφορετικά ασύρματα δίκτυα. Η κάθετη μεταπομπή είναι μια πολύ σημαντική διαδικασία για την επίτευξη της απρόσκοπτης λειτουργίας περιαγωγής και συνεχίζει να είναι ένα δύσκολο πρόβλημα, για τον απλό λόγο ότι οι νέες και καινοτόμες ασύρματες τεχνολογίες και δίκτυα εξακολουθούν να εξελίσσονται. Αυτό το κεφάλαιο επισημαίνει μερικές από τις σημαντικές τεχνικές προκλήσεις που διέπουν αυτό το πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό το οποίο θα είναι θεμελιώδους σημασίας για όλες τις μελλοντικές προσπάθειες δικτύωσης. 81

84 Κεφάλαιο 5 Διαδικασία Πειραματικών Μετρήσεων-Προσομoίωση Κεφάλαιο 5: Διαδικασία Πειραματικών Μετρήσεων- Προσομοίωση 5.1.Εισαγωγή Στα προηγούμενα κεφάλαια εξηγήθηκαν λεπτομερώς οι παράμετροι των τεχνολογιών που θα εξετάσουμε. Αρχικά εξηγήθηκε κάθε μία τεχνολογία, ενώ στη συνέχεια δόθηκε έμφαση στη λογική της κάθετης μεταπομπής και στον τρόπο σύγκλισης των τεχνολογιών που μελετήσαμε. Όλα τα παραπάνω έγιναν με σκοπό την πειραματική μελέτη όλων αυτών των τεχνολογιών και την εκτίμηση της συμπεριφορά τους σε πιο ρεαλιστικές συνθήκες. Αρχικά θα δοθούν κάποιες εξηγήσεις όσων αφορά τις τεχνολογίες που χρησιμοποιήσαμε και τον τρόπο με τον οποίο επιχειρήσαμε τη σύγκλιση τους, ενώ στη συνέχεια θα δοθούν εξηγήσεις για τις παραμέτρους που επιλέγαμε να δώσουμε περαιτέρω έμφασή Διαδικασία Πειραματικών Μετρήσεων Στο πειραματικό μέρος της εργασίας, εξομοιώνεται ένα δίκτυο και μετρούνται κάποια από τα μεγέθη που το χαρακτηρίζουν. Η εξομοίωση γίνεται με το πρόγραμμα Network Simulator (NS-2) χρησιμοποιώντας την έκδοση 2.29a και τροποποιημένη από το Αμερικάνικο Ινστιτούτο NIST έτσι ώστε να υποστηρίζει την ύπαρξη WiMAΧ,Wi-Fi και UMTS, δηλαδή των τεχνολογιών που μας αφορούν. To Network Simulator είναι προγραμματισμένο για περιβάλλον UNIX/LINUX.Η επεξεργασία των μετρήσεων που λαμβάνονται από το Network Simulator γίνεται με τη χρήση ενός φίλτρου γραμμένο στη γλώσσα προγραμματισμού AWK. Τέλος, η γραφική απεικόνιση των αποτελεσμάτων γίνεται με τη χρήση του Matlab. Σχήμα 5.1: Ένα απλό παράδειγμα του δικτύου που υλοποιήσαμε Η εξομοίωση αφορά μια τοπολογία που αποτελείται από ασύρματους άλλα και ενσύρματους κόμβους. Αρχικά εισάγεται ένα router το οποίο χρησιμοποιείται ως ο 82

85 Κεφάλαιο 5 Διαδικασία Πειραματικών Μετρήσεων-Προσομoίωση τελικός αποδέκτης του συστήματος. Με το router αυτό επικοινωνεί ένα άλλο router που είναι συνδεδεμένο με σταθμούς βάσης δυο διαφορετικών τεχνολογιών. Ο κάθε σταθμός βάσης της εκάστοτε τεχνολογίας έχει την αντίστοιχη εναέρια διεπαφή του, η οποία και συνδέεται με τη διεπαφή-πύλη που εξασφαλίζει τη ροή ανάμεσα στις δύο τεχνολογίες. Η λογική της υλοποίησης είναι η εξής: Αρχικά εξασφαλίζουμε την επικοινωνία του Router0 με τον ένα εκ των δύο τεχνολογιών. Παράλληλα ο ασύρματος κόμβος που εξυπηρετείται απομακρύνεται σταδιακά μέχρις ότου χαθεί η επικοινωνία. Τότε εγκαθιδρύεται σύνδεση με τον ασύρματο κόμβο της άλλης τεχνολογίας ( εφόσον βρίσκεται σε κατάλληλη απόσταση) και συνεχίζεται η επικοινωνία. 5.3.Εργαλεία που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη των πειραματικών αποτελεσμάτων. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων μπορεί να μελετηθούν με ποικίλους τρόπους. Εμείς επιλέγουμε να εξετάσουμε τέσσερις σημαντικές παραμέτρους. Το throughput ή διακίνηση, το delay ή καθυστέρηση, το jitter και το packet loss ή ποσοστό απωλειών πακέτων. Throughput:Είναι ένα μέτρο υπολογισμού της ποσότητας των μονάδων πληροφοριών που μπορεί να επεξεργαστεί ένα σύστημα σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα Εφαρμόζεται ευρέως σε υπολογιστικά και δικτυακά συστήματα. Σχετικά μέτρα της παραγωγικότητας του συστήματος περιλαμβάνουν την ταχύτητα που μπορεί ένας φόρτος να ολοκληρωθεί, ο χρόνος απόκρισης, το χρονικό διάστημα μεταξύ μιας διαδραστικής αίτησης του χρήστη και την παραλαβή της απάντησης. Delay: Η καθυστέρηση του δικτύου είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό απόδοσης και σχεδιασμού των δικτύων υπολογιστών και τηλεπικοινωνιών. Η καθυστέρηση του δικτύου καθορίζει πόσο καιρό χρειάζεται για ένα κομμάτι δεδομένων, έτσι ώστε να ταξιδέψει σε όλο το δίκτυο, από ένα κόμβο ή τελικό σημείο στο άλλο. Συνήθως μετριέται σε πολλαπλάσια ή μέρη του δευτερολέπτου. Η καθυστέρηση μπορεί να διαφέρει ελαφρώς, ανάλογα με τη θέση των κόμβων που εξετάζουμε. Μετριέται σε μέγιστο, μέσο και στιγμιαίο. Jitter:Το Jitter αφορά την οποιαδήποτε απόκλιση ή μετατόπισης παλμών σήματος σε ένα ψηφιακό σήμα υψηλής συχνότητας. Η απόκλιση αυτή μπορεί να είναι από την άποψη του πλάτους, του χρονοδιαγράμματος φάσης ή εύρους του παλμού του σήματος. Μεταξύ των αιτιών του jitter είναι η ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή και η παράλληλη επικοινωνία σε κοντινές συχνότητες. Οι επιπτώσεις που μπορεί να προκαλέσει αφορούν ανεπιθύμητες επιδράσεις σε ηχητικά σήματα,απώλεια μεταδιδόμενων δεδομένων μεταξύ συσκευών δικτύου. Η ποσότητα του επιτρεπόμενου Jitter εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό στην εκάστοτε εφαρμογή. Packet Loss: Με τον όρο packet loss ή απώλεια πακέτων εννοούμε την αποτυχία ενός η περισσότερων μεταδιδόμενων πακέτων να φτάσουν στο προορισμό τους. Το γεγονός αυτό μπορεί να προκαλέσει σημαντικές επιπτώσεις σε όλους τους τύπους ψηφιακών επικοινωνιών. Πιο συγκεκριμένα, οι επιπτώσεις του packet loss αφορούν: Στον τομέα δεδομένων μπορεί να προκαλέσει σημαντικά σφάλματα 83

86 Κεφάλαιο 5 Διαδικασία Πειραματικών Μετρήσεων-Προσομoίωση Σε περιβάλλοντα επικοινωνίας με εικόνα και ήχο, μπορεί να προκαλέσει jitter Σε περιβάλλοντα ήχου όπως το VoIP, μπορεί να προκαλέσει jitter και συχνά κενά στη λαμβανόμενη ομιλία. 5.4.Προσομοίωση: Κάθετη Μεταπομπή UMTS-Wi-Fi Η πρώτη προσομοίωση που θα παρουσιάσουμε αφορά τη κάθετη μεταπομπή μεταξύ UMTS και Wi-Fi. Θέτουμε σε εκκίνηση την κίνηση των κόμβων στο 10ο δευτερόλεπτο περίπου, έχοντας στην αρχή επικοινωνία με το UMTS δίκτυο. Κάποια στιγμή, λόγω της απομάκρυνσης του κόμβου από το σταθμό βάσης έχουμε πτώση στη στάθμη ισχύος και πλέον, για την εξομάλυνση της επικοινωνίας ενεργοποιείται το δίκτυο Wi-Fi, και η ροή δεδομένων συνεχίζεται από εκεί. Παρακάτω έχουμε τα διαγράμματα του Throughput: Σχήμα 5.2: Throughput UMTS Wi-Fi συναρτήσει του χρόνου και του ρυθμού δεδομένων Η κόκκινη γραμμή αφορά εισαγόμενο (από το σύστημα) ρυθμό δεδομένων της τάξης των 384Kbps ενώ η μπλε γραμμή αφορά ρυθμό δεδομένων της τάξης των 428Kbps. Παρατηρούμε αρχικά ότι, στο πρώτο μισό της εικόνας υπάρχει απόλυτη ταύτιση ανάμεσα στις δύο συναρτήσεις και αυτό διότι το δίκτυο UMTS δεν μπορεί να αντεπεξέλθει σε ταχύτητα μεγαλύτερη των 384Kbps το οποίο είναι και το μέγιστο όριο του. Στο δεύτερο μισό της εικόνας και στο δευτερόλεπτο 50 περίπου, πραγματοποιείται η κάθετη μεταπομπή. Έχουμε μια πλασματική απότομη άνοδο του traffic (πολύ μεγαλύτερη στην περίπτωση της ταχύτητας των 428Kbps), ενώ στη συνέχεια παρατηρείται διαφοροποίηση στις δύο συναρτήσεις καθώς το δίκτυο Wi-Fi μπορεί να λειτουργήσει σε ταχύτητες μεγαλύτερες των 384Kbps χωρίς πρόβλημα. Η ίδια μεταπομπή μπορεί να συμβεί γρηγορότερα ή αργότερα, ανάλογα την ταχύτητα του κινούμενου κόμβου, όπως φαίνεται παρακάτω. 84

87 Κεφάλαιο 5 Διαδικασία Πειραματικών Μετρήσεων-Προσομoίωση Σχήμα 5.3: Throughput UMTS Wi-Fi για διαφορετικούς χρόνους μεταπομπής Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι παράμετροι packet loss, delay και jitter. Σχήμα 5.4: Packet Loss UMTS Wi-Fi συναρτήσει του χρόνου Στην παραπάνω εικόνα, εύκολα παρατηρεί κανείς ότι το ποσοστό των χαμένων πακέτων στο δίκτυο UMTS, ακόμα και στην περίπτωση που λειτουργεί σε επιτρεπτά επίπεδα, είναι υψηλό. Επίσης, φαίνεται πως, αν και αρχικά το δίκτυο UMTS προσπαθεί να διατηρήσει το ποσοστό χαμηλά για επίπεδα, η ανικανότητα του να διαχειριστεί επιτυχώς μια ταχύτητα ελαφρώς μεγαλύτερη από την δεδομένη του, οδηγεί σε εκτίναξη του ποσοστό των απωλειών σε ποσοστά πάνω από 15 τοις εκατό για μερικά δευτερόλεπτα. Μετά τη διεξαγωγή της κάθετης μεταπομπής, παρατηρούμε ταύτιση των δύο συναρτήσεων και αρκετά χαμηλά επίπεδα του ποσοστού των χαμένων πακέτων. 85

88 Κεφάλαιο 5 Διαδικασία Πειραματικών Μετρήσεων-Προσομoίωση Σχήμα 5.5: UMTS Wi-Fi Delay συναρτήσει του χρόνου Παρατηρώντας την παραπάνω εικόνα βλέπουμε ότι, αρχικά, στην περίπτωση της επιτρεπτής για το δίκτυο UMTS ταχύτητας,η συνολική καθυστέρηση κυμαίνεται σε επιτρεπτά όρια, χωρίς σημαντικές αποκλίσεις. Στην περίπτωση όμως, της εισαγωγής αυξημένης ταχύτητας, η καθυστέρηση στο δίκτυο αυξάνεται σε πολύ μεγάλα και πάνω από το επιτρεπτό όριο επίπεδα, ενώ στη συνέχεια μειώνεται ελαφρώς μέχρι τη διεξαγωγή της κάθετης μεταπομπής και ομαλοποίηση της υπό λειτουργία του Wi-Fi δικτύου. Μελετώντας κανείς την παραπάνω εικόνα σε συνάρτηση με αυτή του Packet Loss, αντιλαμβάνεται ότι το δίκτυο UMTS προσπαθεί αρχικά να διαχειριστεί κατάλληλα των μεγάλο αριθμό πακέτων που έχει να εξυπηρετήσει, αυξάνοντας έτσι την καθυστέρηση. Στη συνέχεια, μη μπορώντας άλλο να τα διαχειριστή, χάνει σταδιακά ένα μεγάλο αριθμό πακέτων κάθε δευτερόλεπτο, μειώνοντας όμως έτσι τη καθυστέρηση στα υπόλοιπα. Σχήμα 5.6: UMTS Wi-Fi Jitter συναρτήσει του χρόνου Πρέπει αρχικά να επισημανθεί πως, η λογική του jitter είναι σχετική με την λογική της καθυστέρησης, εκφράζοντας ουσιαστικά τον ρυθμό μεταβολής της. Έτσι, βλέπουμε παραπάνω πως η τιμές του jitter είναι χαμηλές για το UMTS στην περίπτωση της 86

89 Κεφάλαιο 5 Διαδικασία Πειραματικών Μετρήσεων-Προσομoίωση ταχύτητας 384Kbps. Στην περίπτωση της ταχύτητας 428Kbps, είναι υψηλές μέχρι περίπου το 30ο δευτερόλεπτο δηλαδή, το χρονικό διάστημα όπου η καθυστέρηση αυξάνεται. Στη συνέχεια, η τιμή του μειώνεται, χωρίς όμως να έχει μια σταθερή τιμή, και πάλι σε αντιστοιχία με την καθυστέρηση. Το δεύτερο μέρος της εικόνας δείχνει, όπως αναμενόταν πολύ χαμηλές τιμές του jitter στην περιοχή λειτουργίας του Wi-Fi. 5.5.Προσομοίωση: Κάθετη Μεταπομπή UMTS-WiMAX Στην συνεχεία θα παρουσιάσουμε την προσομοίωση μεταξύ των δικτύων UMTS και WiMAX. Όπως αναμενόταν, οι δύο αυτές προσομοιώσεις έχουν πολλά κοινά στοιχεία. Αφενός γιατί τα δίκτυα WiMAX και Wi-Fi έχουν πολλά κοινά χαρακτηριστικά εκ φύσεως, (βασική εξαίρεση τη διαφορά στη περιοχή κάλυψης που στη περιοχή του WiMAX είναι στη συγκεκριμένη περίπτωση 500 μέτρα, έναντι 50 του Wi-Fi,) αλλά και της επιλογής που κάναμε να έχουμε μια κοινή βάση μεταξύ των δύο μετρήσεων, για καλύτερα και πιο συγκρίσιμα αποτελέσματα. Έτσι, παρακάτω έχουμε το διάγραμμα του Throughput: Σχήμα 5.7: Throughput UMTS WiMAX συναρτήσει του χρόνου και του ρυθμού δεδομένων Όπως και στην προηγούμενη περίπτωση, μέχρι τα 50 πρώτα δευτερόλεπτα οι δύο συναρτήσεις ταυτίζονται καθώς το UMTS δεν υποστηρίζει ταχύτητες πάνω από 384Kbps, ενώ υπάρχει και η πλασματική αύξηση του traffic. Στη συνέχεια υπάρχει η αναμενόμενη διαφοροποίηση καθώς το δίκτυο WiMAX μπορεί να υποστηρίξει την πιο απαιτητική ταχύτητα που εισάγαμε στο σύστημα. 87

90 Κεφάλαιο 5 Διαδικασία Πειραματικών Μετρήσεων-Προσομoίωση Σχήμα 5.8: UMTS WiMAX Packet Loss συναρτήσει του χρόνου Αντίστοιχα, στο Packet Loss που απεικονίζεται παραπάνω, παρατηρούνται πολλές ομοιότητες με τη περίπτωση του Packet Loss στη πρώτη προσομοίωση. Όμως, παρατηρούνται και κάποιες διαφορές. Στην πλευρά του δικτύου UMTS παρατηρείται μικρότερη και πιο σταθερή τιμή του Packet Loss, πιθανώς λόγω της διαφορετικής κίνησης που κάνει ο κόμβος μας σε αυτή τη προσομοίωση, δηλαδή της μεγάλης αύξησης στην κινητικότητα. Ταυτόχρονα, παρατηρείται και ένας μικρός περιορισμός της μέγιστης τιμής στη περίπτωση της αυξημένης ταχύτητας. Στο δεύτερο μέρος, η λειτουργία είναι ομαλή και αναμενόμενη. Σχήμα 5.9: UMTS WiMAX μεταπομπή συναρτήσει του χρόνου 88

91 Κεφάλαιο 5 Διαδικασία Πειραματικών Μετρήσεων-Προσομoίωση Όπως και στις προηγούμενες εικόνες, παρατηρούμε ότι και εδώ οι ομοιότητες είναι πάρα πολλές. Η βασική διαφορά που παρατηρείται και αξίζει να σημειωθεί βρίσκεται κατά τη διάρκεια της κάθετης μεταπομπής. Στην περίπτωση της UMTS-Wi-Fi μεταπομπής η καθυστέρηση μειώνεται σταδιακά μέχρι να φτάσει στα χαμηλά επίπεδα του Wi-Fi δικτύου. Στην περίπτωση της UMTS-WiMAX παρατηρείται μια περιοχή απροσδιοριστίας με την καθυστέρηση να αυξάνεται και να μειώνεται συνεχώς, καθώς μερικά πακέτα φτάνουν στον προκαθορισμένο χρόνο και μερικά καθυστερούν μέχρι και 2 δευτερόλεπτα. Αυτό οφείλεται στη διαφορετικότητα της μεταπομπής λόγω των δικτύων αλλά και της αυξημένης κίνησης του κόμβου. Σχήμα 5.10: UMTS WiMAX Jitter συναρτήσει του χρόνου Αντίστοιχα με τα προηγούμενα, οι ομοιότητες είναι μεγάλες μεταξύ του jitter στην προσομοίωση UMTS-Wi-Fi και UMTS-WiMAX. Αξίζει μόνο να αναφερθούμε στην στιγμιαία μεγάλη άνοδο της τιμής του jitter τόσο στις φυσιολογικές όσο και στις ελαφρώς μεγαλύτερες ταχύτητες, κατά τη στιγμή της μεταπομπής. Η αύξηση αυτή, ιδιαίτερα στις φυσιολογικές ταχύτητες είναι μη αναμενόμενη και δεν μπορεί να δικαιολογηθεί με απόλυτη εγκυρότητα, αν και πιθανότερα οφείλεται, όπως και στην περίπτωση της καθυστέρησης, στη διαφορετικότητα της μεταπομπής λόγω των δικτύων αλλά και της αυξημένης κίνησης του κόμβου. 5.6.Προσομοίωση: Κάθετη Μεταπομπή Wi-Fi-WiMAX Παρακάτω παρουσιάζουμε την υλοποίηση της προσομοίωσης της κάθετης μεταπομπής μεταξύ ενός δικτύου Wi-Fi-WiMAX. Η προσομοίωση αυτή διαφέρει σημαντικά από τις προηγούμενες, αφενός λόγω των πολύ μεγαλύτερων ταχυτήτων που υποστηρίζουν τα δύο δίκτυα και αφετέρου λόγω των σημαντικών διαφορετικής αλγοριθμικής προσέγγισης που απαιτούσε η συγκεκριμένη υλοποίηση. 89

92 Κεφάλαιο 5 Διαδικασία Πειραματικών Μετρήσεων-Προσομoίωση Σχήμα 5.11: Wi-Fi- WiMAX Throughput Το πρώτο που παρατηρεί κανείς στη συγκεκριμένη εικόνα είναι η μεγάλη διαφορά που υπάρχει στις ταχύτητες δεδομένων, αφού η μέση ταχύτητα της προσομοίωσης είναι περίπου 5.8Mbps. Στο πρώτο μισό της εικόνας παρατηρείται διαφοροποίηση μεταξύ των δύο συναρτήσεων, αφού το δίκτυο Wi-Fi ανταποκρίνεται καλύτερα σε αυξημένες ταχύτητες. (Υπενθυμίζουμε ότι για το συγκεκριμένο δίκτυο WiMAX έχουμε διαμόρφωση 16 QAM που δεν είναι η βέλτιστη). Σημαντική διαφορά παρουσιάζεται επίσης και κατά τη διάρκεια της κάθετης μεταπομπής, αφού αυτή τη φορά το traffic μειώνεται και μάλιστα η αστάθεια διαρκεί για σημαντικό χρόνο. Αυτό πρακτικά σημαίνει αστάθεια ή και πτώση της σύνδεσης για περιορισμένο χρονικό διάστημα. Σχήμα 5.12: Wi-Fi- WiMAX Packet Loss συναρτήσει του χρόνου Παραπάνω παρουσιάζουμε τις συναρτήσεις του Packet Loss για της προσομοίωση του 90

93 Κεφάλαιο 5 Διαδικασία Πειραματικών Μετρήσεων-Προσομoίωση Wi-Fi-WiMAX. Αρχικά παρατηρούνται μικρές τιμές και στις δύο συναρτήσεις, οι οποίες και συνεχίζονται στην περίπτωση της συμβατικής τιμής. Αντίθετα, στην περίπτωση της αυξημένης τιμής έχουμε, όπως και πριν, σημαντική αύξηση του ποσοστού των χαμένων πακέτων της τάξης του 11 τοις εκατό, μια τιμή που όμως είναι σίγουρα μικρότερη από τη μέση τιμή των απωλειών στην περίπτωση των προηγούμενων προσομοιώσεων. Σχήμα 5.13: Wi-Fi_WiMAX Καθυστέρηση συναρτήσει του χρόνου Το πρώτο που παρατηρεί κανείς στη παραπάνω εικόνα είναι πως το σύστημα ανταποκρίνεται πολύ καλύτερα απ'ότι τα συστήματα που περιέχουν το δίκτυο UMTS, αφού στην περιοχή κάλυψης του η καθυστέρηση έφτανε μέχρι και 2 second, έναντι μόλις 0.05 που έχει ως ανώτατο όριο το συγκεκριμένο σύστημα. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο μέρος της εικόνας παρατηρούμε πολύ χαμηλές τιμές στην καθυστέρηση ( μέγιστο το 10 ms),τόσο για τη συμβατική όσο και για την αυξημένη ταχύτητα. Μέτα τη μεταπομπή όμως έχουμε αύξηση της τιμής της καθυστέρησης και στις δύο ταχύτητες, γεγονός που οφείλεται στη λειτουργία του δικτύου WiMAX. Σχήμα 5.14: Wi-Fi-WiMAX Jitter συναρτήσει του χρόνου 91