Ενοποίηση & Διαλειτουργικότητα μεταξύ Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας και Ασύρματων Δικτύων Δεδομένων

Transcript

1 Ενοποίηση & Διαλειτουργικότητα μεταξύ Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας και Ασύρματων Δικτύων Δεδομένων Διπλωματική Εργασία Στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Προγράμματος Ηλεκτρονική και Επεξεργασία της Πληροφορίας Ζαφειρόπουλος Διονύσιος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός & Τεχνολογίας Υπολογιστών Βαφείδης Παναγιώτης Ηλεκτρολόγος Μηχανικός & Τεχνολογίας Υπολογιστών Πάτρα - Φεβρ 2009 Ζαφειρόπουλος Δ. & Βαφείδης Π. 1

2 Στόχοι Διπλωματικής Εργασίας Καταγραφή του τεχνολογικού τοπίου της τηλεπικοινωνιακής αγοράς, με έμφαση την διαλειτουργικότητα (Interoperability) μεταξύ των Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας και των Ασύρματων Δικτύων Δεδομένων. Ανάλυση των παραμέτρων/δυνατοτήτων σύγκλισης των Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας και των Ασύρματων Δικτύων Δεδομένων σε ένα ενιαίο δίκτυο (All-IP Convergence) Των σχετικών αλλαγών που έχει επιφέρει αυτή η διαλειτουργικότητα & σύγκλιση, τόσο στις παρεχόμενες υπηρεσίες, όσο και στα εφαρμοζόμενα επιχειρηματικά μοντέλα από πλευράς εταιρειών της συγκεκριμένης αγοράς. Την τεχνολογία (πρωτόκολλα, πρότυπα κτλ) που διαφαίνεται να υπερισχύσει στο μέλλον σχετικά με τα ενοποιημένα ασύρματα δίκτυα. 2

3 Διάρθρωση Διπλωματικής Κεφ1: Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Επικοινωνιών 4ης Γενιάς Κεφ2: Δίκτυα Κινητής Τηλεφωνίας Κεφ3: Ασύρματα Δίκτυα Δεδομένων Κεφ4: Ασύρματα Δίκτυα Επικοινωνιών 4G Κεφ5: Υλοποιήσεις Ασυρμάτων Δικτύων Δεδομένων στον Ελληνικό Χώρο 3

4 Κεφ.1-2: Δίκτυα Κινητής Τηλεφωνίας/ Αναδρομή-1/2 Κινητά δίκτυα 1ης γενιάς Κινητά δίκτυα 2 γενιάς 4

5 Κεφ.1-2: Δίκτυα Κινητής Τηλεφωνίας/ Αναδρομή-2/2 Κινητά δίκτυα 2.5 γενιάς Wireless Applications Protocol (WAP), High Speed Circuit Switched Data (HSCSD), General Packet Radio Service (GPRS) και Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE), Interim Standard 95B (IS-95B) Κινητά δίκτυα 3ης γενιάς Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) στην Ευρώπη, Code division multiple access (CDMA) 2000 στην Βόρεια Αμερική, και Time Division Synchronous Code Division Multiple Access (TD-SCDMA) στην Κίνα. Κινητά δίκτυα 3.5 γενιάς (High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) Το πρότυπο αυτό, αφορά την μετάδοση πακέτων από το σταθμό βάσης προς το χρήστη (downlink) με ρυθμό 5 φορές μεγαλύτερο του UMTS και 15 φορές μεγαλύτερο του GPRS. Το γεγονός αυτό σημαίνει ότι από τα 2 Mbps που μπορεί να προσφέρει το UMTS ο ρυθμός μπορεί να φτάσει θεωρητικά μέχρι και τα 14.4 Mbps. Κινητά δίκτυα 4ης γενιάς (Επόμενη Γενιά ) Η ελάχιστη ταχύτητα που έχει τεθεί ως στόχος για τα 4G συστήματα θα είναι Mbps για ακίνητα περιβάλλοντα και 2 Mbps για κινούμενα οχήματα. 5

6 Κεφ1-2: Δίκτυα Κινητής Τηλεφωνίας/ Αρχιτεκτονική Δικτύου UMTS Έκδοση 5 Το UMTS Subscriber Identity Module (USIM), ΟκόμβοςNode B, πού είναι το ανάλογο του BTS στο GSM ΟελεγκτήςRadio Network Controller (RNC), που είναι το ανάλογο του BSC στο GSM Η εγγραφή και πιστοποίηση του χρήστη γίνεται μέσω του SGSN(Serving GPRS Support Node ) ΗλειτουργίαCall State Control Function (CSCF) ΗλειτουργίαMultimedia Resource Function (MRF) Media Gateway (MGW) Transport Media Gateway (T-SGW) Roaming Signalling Gateway (R-SGW) Media Gateway Control Function (MGCF) SS7:Signaling System #7 Node B Node B Iub Iub RNC Iur RNC Iu CSCF HSS/HLR Gr SGSN Cx Gn Call State Control Function (CSCF) SGSN Mr Gi Mg MRF Gi Gi R-SGW MGW Mc Media Gateway Control Function (MGCF) PCM SS7 T-SGW SS7 PSTN Internet 6

7 Κεφ3: Ασύρματα Δίκτυα Δεδομένων Wireless Personal Area Networks (WPANs) Bluetooth (IEEE ) Infrared Data Association s (IrDA) Serial Infrared (SIR) Data and Advanced Infrared (AIr) Wireless Local Area Networks (WLANs) IEEE a/b/g/e (WiFi) ETSI HIPERLAN/2 (802.11b) Wireless Metropolitan Area Networks (WMANs) IEEE (WiMAX) Wireless Wide Area Networks (WWANs) ή MBWA Mobile Broadband Wireless Access (Mobile-Fi) iburst ή HC-SDMA 7

8 Κεφ3: Ασύρματα Δίκτυα Δεδομένων IEEE: USA ETSI: Europe 8

9 Κεφ3: Ασύρματα Δίκτυα Δεδομένων/Σύγκριση WPANs 9

10 Κεφ3: Ασύρματα Δίκτυα Δεδομένων/Σύγκριση WLANs 10

11 Κεφ3: Ασύρματα Δίκτυα Δεδομένων/ Χαρακτηριστικά WΜANs & WWANs 1. WiMAX: Αποστάσεις Κάλυψης και Ρυθμός Μετάδοσης σε Point to- Point (PTP) όσο και για λειτουργίες Point-to- Multipoint (PTM) 2. Χαρακτηριστικά IEEE (MBWA ) 11

12 Κεφ4: Ασύρματα Δίκτυα Επικοινωνιών 4G Παροχή υπηρεσιών τηλεφωνίας και δεδομένων anywhere & anytime. Αδιάλειπτη, ενοποιημένη λειτουργία ετερογενών δικτύων (UMTS, WLAN, WiMAX). Αντιμετώπιση ζητημάτων: Mobility (Κινητικότητα τερματικού) Handover (Horizontal & Vertical) QoS Multimode τερματικά Μοντέλα χρέωσης WLAN UMTS WiMAX UMTS All IP (4G) 12

13 Κεφ4: Διασύνδεση WLAN UMTS 1/6 Από την μια, 3G δίκτυα για υπηρεσίες φωνής & δεδομένων με ταχύτητες 2-3 Mbps μέσω GPRS Από την άλλη, multimedia υπηρεσίες και χρήστες, με ανάγκες υψηλών data rates Γεωγραφικός συνωστισμός τέτοιων χρηστών: Hot Spots Εξυπηρέτηση με WLANs Data rate έως 54Mbps Χαμηλό κόστος Εύκολο deployment 13

14 Κεφ4: Διασύνδεση WLAN UMTS (Loose Coupling) 2/6 Το WLAN λειτουργεί αυτόνομα σε σχέση με το UMTS Ο χρήστης μπορεί να είναι συνδρομητής τόσο στο WLAN όσο και στο UMTS δίκτυο Υπό τον ίδιο πάροχο, τα δύο δίκτυα μοιράζονται πληροφορίες & λειτουργίες ΑΑΑ μέσω Internet 14

15 Κεφ4: Διασύνδεση WLAN UMTS (Tight Coupling) 3/6 Το WLAN εκτός από ΑΑΑ λειτουργίες χρησιμοποιεί διαχείριση κινητικότητας, σηματοδοσία, μηχανισμούς ασφαλείας κ.α., μέσω του GPRS τμήματος του UMTS Dual mode συσκευές με δύο διεπαφές δικτύου 15

16 Κεφ4: Διασύνδεση WLAN UMTS 4/6 Ενοποιημένη αρχιτεκτονική Χρήστης σε κελί WLAN Χρήση του UMTS RNS (circuit switched) για μετάδοση φωνής Χρήση (packet switched) για μετάδοση δεδομένων Χρήστης σε κελί UMTS Χρήση του RNS (GPRS) τόσο για μετάδοση δεδομένων όσο και για φωνής Άρα απαιτείται dual mode τερματικό 16

17 Κεφ4: Διασύνδεση WLAN UMTS 5/6 Στοίβα πρωτοκόλλων στο τερματικό 17

18 Κεφ4: Διασύνδεση WLAN UMTS 6/6 Intersystem Handover από UMTS σε WLAN 18

19 Κεφ4: Διασύνδεση WiMAX UMTS 1/5 Διασύνδεση Loose & Tight Coupling Loose Coupling Το WiMAX χρησιμοποιεί τον ΑΑΑ server του UMTS και τα δεδομένα δεν διέρχονται μέσω του UMTS core network Ανεξαρτησία του WiMAX αλλά και καθυστερήσεις στο handover Δεν επαρκεί για real-time υπηρεσίες Tight Coupling Τα δεδομένα του WiMAX διέρχονται μέσω του RNC του UMTS Core Network Ο WiMAX BS συνδέεται με τον RNC ή μετοsgsn απ ευθείας. Μειωμένες καθυστερήσεις και εγγυημένο handover 19

20 Κεφ4: Διασύνδεση WiMAX UMTS 2/5 Χαλαρή ζεύξη (Loose Coupling) με χρήση Mobile IP 20

21 Κεφ4: Διασύνδεση WiMAX UMTS (Loose Coupling) 3 /5 Handover από το WiMAX στο UMTS 21

22 Κεφ4: Διασύνδεση WiMAX UMTS (Loose Coupling) 4 /5 Handover από το UMTS στο WiMAX 22

23 Κεφ4: Διασύνδεση WiMAX UMTS 5/5 Ισχυρή ζεύξη (Tight Coupling) με χρήση IMS 23

24 Κεφ4: Διασύνδεση ετερογενών δικτύων σε IP δίκτυο κορμού (All IP networks) 1/13 Πολλαπλές τεχνολογίες πρόσβασης ενοποιημένες σε ένα ετερογενές ασύρματο δίκτυο: κυτταρικά δίκτυα (UMTS, GSM) ασύρματα δίκτυα δεδομένων (WMAN, WLAN, και adhoc / WPAN δίκτυα) πιθανόν και δορυφορικά δίκτυα Η ενοποίηση βασίζεται συνήθως στο Mobile IP για το macromobility management (δηλαδή κινητικότητα μεταξύ κυττάρων που εποπτεύονται από ξεχωριστά δίκτυα) και το Cellular IP που χρησιμοποιείται για το micro-mobility management (δηλαδή κινητικότητα μεταξύ κυττάρων του ίδιου δικτύου) 24

25 All IP networks 2/13 Γενική αρχιτεκτονική 25

26 All IP networks 3/13 Πρόταση της 3GPP για την 4G αρχιτεκτονική 26

27 All IP networks 4/13 Πρόταση της 3GPP (circuit switched τμήμα) 27

28 All IP networks 5/13 Πρόταση της 3GPP (packet switched τμήμα) 28

29 Κεφ4: Διασύνδεση ετερογενών δικτύων σε IP δίκτυο κορμού (All IP networks) 6/13 Μηχανισμοί handover 1. Network controlled. Το δίκτυο είναι υπεύθυνο για την διεξαγωγή του handover. 2. Client controlled. Το τερματικό εκτελεί λειτουργίες: προσδιορισμός της καλύτερης ζεύξης, πραγματοποίηση του handover την κατάλληλη στιγμή και επανεκκίνηση των TCP συνδέσεων. 3. Policy Based. 29

30 Κεφ4: Διασύνδεση ετερογενών δικτύων σε IP δίκτυο κορμού (All IP networks) 7/13 Handover βάσει πολιτικών (Policy based) 30

31 Κεφ4: Διασύνδεση ετερογενών δικτύων σε IP δίκτυο κορμού (All IP networks) 8/13 Κινητικότητα τερματικού 1. Macromobility (Mobile IP) 2. Micromobility (Cellular IP) 31

32 Κεφ4: Διασύνδεση ετερογενών δικτύων σε IP δίκτυο κορμού (All IP networks) 9/13 Macromobility (Mobile IP) Πίνακας συσχέτισης στον home agent Πίνακας επισκεπτών στον foreign agent 32

33 Κεφ4: Διασύνδεση ετερογενών δικτύων σε IP δίκτυο κορμού (All IP networks) 10/13 Macromobility (Mobile IP) - Registration 33

34 Κεφ4: Διασύνδεση ετερογενών δικτύων σε IP δίκτυο κορμού (All IP networks) 11/13 Macromobility (Mobile IP) - Tunneling 34

35 Κεφ4: Διασύνδεση ετερογενών δικτύων σε IP δίκτυο κορμού (All IP networks) 12/13 Micromobility (Cellular IP) 35

36 Κεφ4: Διασύνδεση ετερογενών δικτύων σε IP δίκτυο κορμού (All IP networks) 13/13 Νέοι επιχειρηματικοί ρόλοι 36

37 Κεφ5: Υλοποιήσεις Ασυρμάτων Δικτύων ΔεδομένωνστονΕλληνικόΧώρο Ευρυζωνικά μητροπολιτικά δίκτυα σε 75 Δήµους (Προσκλήσεις 93 και 145 του ΕΠ ΚτΠ) Ασύρµαταευρυζωνικάδίκτυασε120 Δήµους, 20 ΤΕΔΚ και στο Πανελλήνιο Σχολικό Δίκτυο (Πρόσκληση 105 της ΚτΠ) 770 σηµεία ασύρµατης πρόσβασης στο Internet (Wireless Hotspots) από επιχειρήσεις (Πρόσκληση 86 της ΚτΠ) Στην ασύρματη δικτύωση σχολικών μονάδων της 2ο Βάθμιας εκπαίδευσης (Πρόσκληση 6) 37

38 Κεφ5: Χρησιμοποιημένες τεχνολογίες WiMAX (πρότυπο ) 5,4 GHz 54 Μbps Εως 50 Χλμ WiFi (πρότυπο ) b/g (2,4 GHz - 54 Mbps σε ικανοποιητική απόσταση περίπου 1-1,5 km) a ( 5,4 GHz - 54 Mbps σε αποστάσεις μεγαλύτερες από τα αντίστοιχα b/g. Τύποι διαμόρφωσης: Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Quadrature Amplitude Modulation (QAM) Quaternary Phase Shift Keying (QPSK) 38

39 Κεφ5: Αρχιτεκτονική Ασύρματων Δικτύων (Π105 & Π6) 39

40 Κεφ5: Πρόσκληση 6/Ασυρματο Δίκτυο Βόλου 40

41 Κεφ5: Πρόσκληση 105/Ασύρματο δίκτυο Δήμων Βουπρασίας και Λεχαινών 1/3 Ζαφειρόπουλος Δ. & Βαφείδης Π. Πάτρα - Φεβρ

42 Κεφ5: Π105/Ασύρματο δίκτυο Δήμων Βουπρασίας και Λεχαινών 2/3 Πεδίο εκπομπής ακτινοβολίας της κεραίας 42

43 Κεφ5: Π105/Ασύρματο δίκτυο Δήμων Βουπρασίας και Λεχαινών 3/3 Ισχύς Εξόδου Ασυρμάτου Εξοπλισμού 43

44 Κεφ5: Ασύρματη σύνδεση και σχολικό δίκτυο Η ρυθμιστική αρχή στην Ελλάδα για την λειτουργία των ασυρμάτων δικτύων είναι η Εθνική Επιτροπή Τηλεπικοινωνιών & Ταχυδρομείων (ΕΕΤΤ) η οποία επιβάλει τις προδιαγραφές για την ασφάλεια της δημόσιας υγείας όσον αφορά τη λειτουργία ασυρμάτων δικτύων ευρυζωνικής πρόσβασης. Συμφωνά με την ελληνική νομοθεσία: Η εκπεμπόμενη ισχύ ενός κεραιοσυστήματος δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 100mW για τα συστήματα που λειτουργούν στα 2,4 GHz (ΦΕΚ 739/ ) Η εκπεμπόμενη ισχύ ενός κεραιοσυστήματος δεν πρέπει να υπερβαίνει τo 1W για τα συστήματα που λειτουργούν στα 5,4 GHz (ΦΕΚ 739/ ) Όλες οι συσκευές που χρησιμοποιούνται και λειτουργούν στα 2,4GHz πρέπει να συμφωνούν με το πρότυπο ETSI EN (ΦΕΚ B 895/ , δεν απαιτείται εκχώρηση συχνότητας) Όλες οι συσκευές που χρησιμοποιούνται και λειτουργούν στα 5,4GHz πρέπει να συμφωνούν με το πρότυπο ETSI EN (ΦΕΚ 786/ ) 44

45 Συμπεράσματα Ηανάπτυξη4G συστημάτων απαιτεί τη χρήση νέων τεχνολογιών σε πολλούς τομείς. Έχουν ήδη σχεδιαστεί πρωτοποριακές λύσεις όπως για παράδειγμα: το IPv6 & MIPv6, ηχρήσητουims, ηδιεξαγωγήpolicy based Handovers, οι έξυπνες κεραίες, και έχουν αξιολογηθεί σε σύγκριση με συμβατικές προσεγγίσεις επιδεικνύοντας πολύ βελτιωμένα χαρακτηριστικά. Επιπλέον όμως πρέπει να επιτευχθούν και στόχοι όπως: Δημιουργία νέων, ελκυστικών υπηρεσιών. Ελκυστικά μοντέλα χρέωσης. Ενημέρωση και εκπαίδευση των χρηστών και εξοικείωσή τους με τη νέα τεχνολογική πραγματικότητα. 45

46 Αναφορές 1/3 Δ4: Περίληψη συστημάτων 1ης γενιάς Rappaport, Wireless Communications Principles and Practices, pp. 7, 9, 537, 594 and Smith & Collins 3G Wireless Networks p. 28 Δ4: Περίληψη συστημάτων 2ης γενιάς Rappaport, Wireless Communications Principles and Practices, pp. 8, 28, 555, 569, 596 and Smith & Collins, 3G Wireless Networks, p Δ6: Αρχιτεκτονική δικτύου UMTS Έκδοση 5 Smith & Collins, 3G Wireless Networks, McGraw Hill, 2002, p. 155 Δ8: Global Wireless Standards pg Δ9,10: Συγκριτικοί πίνακες χαρακτηριστικών IrDA και Bluetooth flavors, HIPERLAN/2 και flavors Νικολόπουλος Α. "Πρωτόκολλα πρόσβασης στο μέσο και υπηρεσίες ασυρμάτων δικτύων", Τμημα Η/Υ & Πληροφορικής, Πανεπιστήμιο Πατρών Δ11: Ακτίνα επικοινωνίας PTP και PMP WIMAX Tanenbaum Andrew, Δίκτυα Υπολογιστών, Eκδόσεις Κλειδάριθμος, Fourth Edition, Δ11: Χαρακτηριστικά του νέου προτύπου για MBWA Klerer M. "Introduction to IEEE Techncal and procedural orientation" March 2003 Δ14,15: Σενάριο ενοποίησης GPRS - WLAN δικτύων με χαλαρή ζεύξη, με ισχυρή ζεύξη J. Nyström, M. Seppälä, "Experimental Study of GPRS/WLAN Systems Integration", Linköping Institute of Technology, Sweeden 2003 Δ16,17: Ενοποιημένη αρχιτεκτονική WLAN-UMTS & Στοίβα πρωτοκόλλων του τερματικού M. Jaseemuddin "An Architecture for Integrating UMTS and WLAN Networks" Dept. of Electrical & Computer Engineering, Ryerson University 46

47 Αναφορές 2/3 Δ18: Intersystem Handover από UMTS σε WLAN T. Sasikala, S.K Srivatsa Internetworking of WLAN and UMTS Networks, Information Technology Journal 5 (5), , 2006 Δ19&23: Μοντέλα διασύνδεσης δικτύων loose και tight coupling & Αρχιτεκτονική ισχυρής διασύνδεσης WiMAX και 3GPP F. Xu, L. Zhang, Z. Zhou, "Interworking of Wimax and 3GPP Networks based on IMS" Beijing University of Posts and Telecommunications, IEEE 2007 Δ20,21,22: Αρχιτεκτονική διασύνδεσης UMTS WiMAX με χρήση Mobile IP, Διαδικασία handover από το WiMAX στο UTRAN, Διαδικασία handover από το UTRAN στο WiMAX Q.T. Nguyen-Vuong, L. Fiat, N. Agoulmine, "An Architecture for UMTS-WIMAX Interworking" IEEE 2006 Δ25: Γενική 4G αρχιτεκτονική δικτύου V. Gazis, N. Housos, A. Alonistioti and L. Merakos, "Generic system architecture for 4G mobile communications«δ30: Δομή λογισμικού για διαχείριση κινητικότητας βάσει πολιτικών P. Vidales, R. Chakravorty, C. Policroniades, "A Policy-based Solution for Future 4G devices", University of Cambridge Δ32,33,34,35 Η All-IP πρόταση της 3GPP για την 4G αρχιτεκτονική, Τμήμα 3GPP αρχιτεκτονικής υπεύθυνο για CS μεταγωγή, Τμήμα 3GPP αρχιτεκτονικής υπεύθυνο για PS μεταγωγή A.s Gergely Valko, "Design and Analysis of Cellular Mobile Data Networks" Department of Telecommunications and Telematics, Technical University of Budapest, 1999 Δ36: Εξέλιξη της αλυσίδας ρόλων V. Gazis, N. Housos, A. Alonistioti and L. Merakos, "Generic system architecture for 4G mobile communications Δ39: Αρχιτεκτονική Ασύρματων Δικτύων Π105 GR/epktp/piousendiaferei/td_proskliseis/prosklhseis/default.htm?pr_id=

48 Αναφορές 3/3 Δ40: Ασύρματο Ευρυζωνικό δίκτυο σχολικών μονάδων Βόλου - Πρόσκληση 6 ΚτΠ GR/epktp/piousendiaferei/td_proskliseis/prosklhseis/default.htm?pr_id=1159 Δ41,42,43: 105/Ασύρματο δίκτυο Δήμων Βουπρασίας και Λεχαινών-Πρόσκληση Δ44: ΦΕΚ 739/ a791b9480cc2 Δ44: ΦΕΚ B 895/ cments/fek1471b pdf Δ44: ΦΕΚ 786/ _apofaseis_eett/fek1023_2006.pdf. I.Papapanagiotou, G. Paschos, S. Kotsopoulos and M. Devetsikiotis: Extension and Comparison of QoS-Enabled Wi-Fi Models in the presence of Errors, IEEE GLOBECOM 2007, Washington, DC, USA, November 2007 I. Politis, T. Dagiouklas, T. Pliakas, S. Kotsopoulos and M. Tsagaropoulos: Intelligent Packet Scheduling for optimized video transmission over wireless networks, [MOBIMEDIA 2007], 3rd International Mobile Multimedia Communications Conference (MSAN), Nafpaktos, Greece, June 27-29, 2007 S. Kotsopoulos and K. Ioannou: Heterogeneous Next Generation Networking: Innovations and Platforms. Handbook, ISBN: , Publisher: Idea Group Inc. (IGI),

49 Πάτρα - Φεβρ 2009 Ζαφειρόπουλος Δ. & Βαφείδης Π. 49