ΚΙΝΗΤΑ ΚΑΙ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ Εισαγωγή
Σκοπός του μαθήματος Μελέτη της αρχιτεκτονικής και της λειτουργίας των δικτύων κινητών επικοινωνιών. Το αντικείμενο είναι τεράστιο και δεν μπορεί να καλυφθεί μόνο με το μάθημα αυτό. Χωρίζεται σε δύο μέρη Κινητές επικοινωνίες (Πασσάς Πέμπτη 17:00-19:00) Κινητικότητα στο διαδίκτυο(πασκαλής Πέμπτη 19:00-21:00)
Η ύλη του μαθήματος Κινητές επικοινωνίες: Βασικές έννοιες Τη χωρητικότητα των κυψελωτών συστημάτων Τις παρεμβολές στα κυψελωτά συστήματα Τη διαχείριση ασυρμάτων πόρων Τις λειτουργίες υποστήριξης κινητικότητας Τη διαχείριση επικοινωνιών Μοντέρνα συστήματα κινητών επικοινωνιών http://eclass.uoa.gr/courses/d211/
Περίληψη του εισαγωγικού μέρους Βασικές έννοιες Κινητικότητα Φορητότητα υπηρεσιών Ασύρματα συστήματα κινητών επικοινωνιών Επίδραση της κινητικότητας στην εξέλιξη των τηλεπικοινωνιακών δικτύων Γενικές τάσεις στην εξέλιξη των δικτύων επικοινωνιών Εξέλιξη των ψηφιακών συστημάτων κινητών επικοινωνιών
Κινητές Επικοινωνίες στις αρχές του 20ου αιώνα 1901: Marconi
Κινητές Επικοινωνίες στις αρχές του 20ου αιώνα 1910: Ericsson & wife Hilda 1924: First mobile radio telephone Courtesy of Rich Howard
Γενιές κινητών επικοινωνιών 0G: Briefcase-size mobile radio telephones 1G: Analog cellular telephony (end 70s) 2G: Digital cellular telephony (beg 90 s) 3G: High-speed digital cellular telephony (including video telephony) (beg 00) 4G: IP-based anytime, anywhere voice, data, and multimedia telephony at faster data rates than 3G (beg 10) 5G: 10-times faster data rates, much more flexible in mobility, Internet of Things (IoT) support (cheap, low energy, massive number of devices) (beg 20)
Εξέλιξη κινητών επικοινωνιών Κινητά δίκτυα το 2014 Η παγκόσμια διακινούμενη πληροφορία μέσω κινητών αυξήθηκε κατά 69% το 2014. Η περυσινή κίνηση μέσω κινητών ήταν 30 φορές μεγαλύτερη από την παγκόσμια κίνηση όλου του Διαδικτύου το 2000. Η κίνηση μέσω κινητών που αφορά σε βίντεο ξεπέρασε για πρώτη φορά το 50% της συνολικής κίνησης το 2012. Σχεδόν μισό δισεκατομμύριο κινητές συσκευές προστέθηκαν παγκοσμίως το 2014. Το 2014, κατά μέσο όρο, μια έξυπνη συσκευή παρήγαγε 22 φορές μεγαλύτερη κίνηση από μια μη έξυπνη.
Εξέλιξη κινητών επικοινωνιών Κινητά δίκτυα το 2014 Οι ταχύτητες των συνδέσεων κινητών επικοινωνιών αυξήθηκαν κατά 20% μέσα στο 2014. Η μέση χρήση ενός smartphone αυξήθηκε κατά 45% το 2014. Τα smartphones αντιπροσωπεύουν το 29% των συσκευών παγκοσμίως αλλά παράγουν το 69% της παγκόσμιας κίνησης. Το 46% της κίνησης από κινητά διοχετεύθηκε στο σταθερό δίκτυο μέσω Wi-Fi ή φεμτοκυψέλες.
Εξέλιξη κινητών επικοινωνιών Κινητά δίκτυα μέχρι το 2019 Η παγκόσμια κίνηση από κινητά θα αυξηθεί 10 φορές μέχρι το 2019. Στο τέλος του 2014, οι κινητές συσκευές ξεπέρασαν τον πληθυσμό της γης και το 2019 θα είναι σχεδόν 1,5 φορές περισσότερες. Οι ταχύτητες των κινητών συνδέσεων θα διπλασιαστούν μέχρι το 2019. Το 2019, μια σύνδεση 4G θα παράγει 10 φορές περισσότερη κίνηση από μια μη-4g. Μέχρι το 2019, περισσότερες από τις μισές κινητές συσκευές παγκοσμίως θα είναι «έξυπνες».
Εξέλιξη κινητών επικοινωνιών Κινητά δίκτυα μέχρι το 2019 Σχεδόν 3/4 της παγκόσμιας κίνησης κινητών θα είναι βίντεο μέχρι το 2019. Μέχρι το 2019, τα tablets θα παράγουν σχεδόν τη διπλάσια κίνηση από τη συνολική παγκόσμια κίνηση από κινητά το 2014. Το μέσο smartphone θα παράγει 4.0 GB κίνησης το μήνα το 2019, πέντε φορές περισσότερη από τα 819ΜΒ το 2014. Μέχρι το 2016, πάνω από τη μισή κίνηση κινητών συσκευών θα εισάγεται στο σταθερό δίκτυο μέσω Wi-Fi και φεμτοκυψέλες.
Εξέλιξη κινητών επικοινωνιών Exabytes per Month of Mobile Data Traffic
Εξέλιξη κινητών επικοινωνιών Global mobile devices
Εξέλιξη κινητών επικοινωνιών Growth of smart devices
Εξέλιξη κινητών επικοινωνιών Growth of smart traffic
Εξέλιξη κινητών επικοινωνιών Global mobile traffic
Εξέλιξη κινητών επικοινωνιών Internet of Things (IoT)
Εξέλιξη κινητών επικοινωνιών Internet of Things (IoT)
Smart Energy
Smart Energy Reference architecture ZigBee / IEEE 802.15.4 Wireless Mesh with Relay and NC Cellular Network With Relays and NC Electric Utility Substation Residential / Industrial / Commercial Community - Microgrid http://gain.di.uoa.gr/smart-nrg/
Smart Energy Dense urban scenario
Smart Energy Dense rural scenario
Smart Energy Dense rural scenario
Smart Energy Industrial scenario
Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα
Υψηλός αριθμός λαθών Εξασθένηση σήματος λόγω Απόστασης Φυσικών εμποδίων
Υψηλός αριθμός λαθών Παρεμβολές από άλλες πηγές Πολλές συσκευές στην ίδια συχνότητα π.χ., 2.4 GHz ασύρματο τηλέφωνο αλληλοπαρεμβάλεται με το WiFi Η/Μ θόρυβος (π.χ., φούρνος μικροκυμάτων)
Υψηλός αριθμός λαθών Πολλαπλές διαδρομές Αντανάκλαση σε εμπόδια Πολλαπλά μονοπάτια Σύγχυση του δέκτη receiver transmitter
Πως χειριζόμαστε τα λάθη Σταθερά vs. κινητά Σταθερά: Λάθη εξαιτίας συμφόρησης Ασύρματα: περισσότερα και με διαφορετικά αίτια Τι κάνουμε Αύξηση της ισχύος μετάδοσης Περισσότερη κατανάλωση ενέργειας (κακό για τη μπαταρία) Δημιουργεί παρεμβολές σε άλλους δέκτες Έλεγχος και διόρθωση λαθών Πιο ισχυροί κώδικες (επεξεργασία, κατανάλωση καναλιού) Επαναμεταδόσεις (κατανάλωση καναλιού)
Περιορισμοί στη μετάδοση Σταθερά δίκτυα: Όλοι οι κόμβοι ακούνε τις μεταδόσεις Ασύρματα: Κρυμμένα τερματικά C A και B ακούνε B και C ακούνε Αλλά, ο A και ο C δεν ακούνε A B Άρα, οι A και C μπορεί να δημιουργήσουν παρεμβολή στο Β
Περιορισμοί στη μετάδοση Σταθερά δίκτυα: Όλοι οι κόμβοι ακούνε τις μεταδόσεις Ασύρματα: Εξασθένηση σήματος A B C A και B ακούνε B και C ακούνε Αλλά, ο A και ο C δεν ακούνε A s signal strength C s signal strength Άρα, οι A και C μπορεί να δημιουργήσουν παρεμβολή στο Β space
Δίκτυα με δικτυακή υποδομή Δικτυακή υποδομή
Δίκτυα χωρίς υποδομή (Ad Hoc)
Με και χωρίς υποδομή Με υποδομή Οι ασύρματοι κόμβοι συνδέονται μόνο με το σταθμό βάσης Υπηρεσίες ανάλογες με τα σταθερά δίκτυα (address assignment, routing, DNS resolution) Ad hoc Δεν υπάρχει υποδομή για να συνδεθούν Οι δικτυακές υπηρεσίες παρέχονται από τους ίδιους τους κόμβους Δυσκολότερη η δικτύωση αλλά χωρίς της απαίτηση ύπαρξης σταθμού βάσης
To Μοντέλο αναφοράς OSI Επίπεδο Μονάδα ανταλλαγής 1 Εφαρμογής Πρωτόκολλο εφαρμογής (Application Layer) Εφαρμογής ADPU Διασύνδεση Διασύνδεση 2 Παρουσίασης Πρωτόκολλο Παρουσίασης Παρουσίασης PPDU Διασύνδεση Διασύνδεση 3 Συνόδου Πρωτόκολλο Συνόδου Συνόδου SPDU Διασύνδεση Διασύνδεση 4 Μεταφοράς Πρωτόκολλο Μεταφοράς Μεταφοράς TPDU Διασύνδεση Όρια Υποδικτύου Διασύνδεση 5 Δικτύου Δικτύου Δικτύου Δικτύου Πακέτο Διασύνδεση Εσωτερικό Πρωτόκολλο Υποδικτύου Διασύνδεση 6 Σύνδ. Δεδομέν. Σύνδ. Δεδομέν. Σύνδ. Δεδομέν. Σύνδ. Δεδομέν. Πλαίσο Διασύνδεση Διασύνδεση 7 Φυσικό Φυσικό Φυσικό Φυσικό Bit Host A Host B
Επίπεδο 1 Εφαρμογής 2 Παρουσίασης Κρυπτογράφιση, συμπίεση, μετατροπή δεδομένων 3 Συνόδου Αρχικοποίηση και έλεγχος διαφορετικών ροών ανά εφαρμογή 4 Μεταφοράς Έλεγχος ροής, έλεγχος λαθών, επαναμεταδόσεις από άκρο σε άκρο 5 Δικτύου Διευθυνσιοδότηση, δρομολόγηση πακέτων 6 Σύνδ. Δεδομέν. Έλεγχος πολλαπλής πρόσβασης, διόρθωση λαθών, 7 Φυσικό Μετάδοση στο φυσικό μέσο, διαμόρφωση σήματος, επεξεργασία
Μετάδοση Δεδομένων στο Μοντέλο OSI Αποστέλλουσα Διεργασία Δεδομένα Λαμβάνουσα Διεργασία Επίπεδο Εφαρμογής ΑΗ Δεδομένα Επίπεδο Εφαρμογής Επίπεδο Παρουσίασης PΗ Δεδομένα Επίπεδο Παρουσίασης Επίπεδο Συνόδου SΗ Δεδομένα Επίπεδο Συνόδου Επίπεδο Μεταφοράς TH Δεδομένα Επίπεδο Μεταφοράς Επίπεδο Δικτύου NΗ Δεδομένα Επίπεδο Δικτύου Επίπεδο Σύνδ. Δεδομ. DΗ Δεδομένα DT Επίπεδο Σύνδ. Δεδομ. Φυσικό Επίπεδο Bits Φυσικό Επίπεδο Πραγματικό μονοπάτι μετάδοσης δεδομένων
Το μοντέλο αναφοράς TCP/IP 7 OSI Application (Εφαρμογής) TCP/IP Application 6 Presentation (Παρουσίασης) Δεν υπάρχει 5 Session (Συνόδου) Δεν υπάρχει 4 Transport (Μεταφοράς) Transport 3 Network (Δικτύου) Network 2 1 Data Link (Σύνδεσης Δεδομένων) Physical (Φυσικό) Host-To-Network
Tα πρωτόκολλα στο μοντέλο OSI Επίπεδα OSI TCP/IP Application (Εφαρμογής) HTTP, S-HTTP,SMPTE, FTP, TELNET, POP3, IMAP4 Presentation (Παρουσίασης) Session (Συνόδου) Transport (Μεταφοράς) TCP,UDP, RUDP, XOT Network (Δικτύου) IP/IPv6 Data Link (Σύνδεσης Δεδ.) Ethernet, Token Ring, ARCnet, StarLAN, LocalTalk, FDDI, ATM ODI, NDIS Physical (Φυσικό) TP, Coaxial, Fiber-Optic, Wireless
A ISP B The Internet Satellite IP backbone Broadcast Networks (DAB, DVB-T) C GSM / GPRS UMTS D IP-based micro-mobility Wireless LANs E
A E HTTP B C D HTTP TCP TCP IP IP IP IP IP Ethernet Ethernet ATM ATM Ethernet Ethernet 802.11 MAC 802.11 MAC Coaxial Coaxial Fiber-Optic Fiber-Optic Coaxial Coaxial 802.11 PHY 802.11 PHY
Βασικές έννοιες Οικουμενική κινητικότητα Ζώνη 4: Οικουμενική Ζώνη 3: Ημιαστική Ζώνη 2: Αστική Ζώνη 1: Κτίρια MacroCell MicroCell PicoCell
Evolution of Radio Access Technologies LTE (3.9G) : 3GPP release 8~9 LTE-Advanced : 3GPP release 10+
Standards organizations and other related bodies have agreed to co-operate for the production of a complete set of globally applicable Technical Specifications for a 3rd Generation Mobile System based on the evolved GSM core networks and the radio access technologies supported by 3GPP partners (i.e., UTRA both FDD and TDD modes). The Project is entitled the Third Generation Partnership Project and may be known by the acronym 3GPP. 3GPP has been established for the preparation and maintenance of the above mentioned Technical Specifications, and is not a legal entity.
3GPP comprises of: Partners: Organizational Partners 3GPP is open to all standards organizations irrespective of the geographical location. Market Representation Partners Individual Members
3GPP is characterized by the following attributes: Minimum production time for Technical Specifications from conception to approval Fast, electronic based approval process Maximum use of modern (electronic) working methods Minimum number of hierarchical levels with decision making taking place at the lowest appropriate levels
Internal structure of 3GPP 3GPP Project Co-ordination Group TSG TSG TSG TSG Radio Access Network Core Network Terminals Service and System Aspects Technical Specifications
3GPP meetings
ARIB The Association of Radio Industries and Businesses, Japan ATIS The Alliance for Telecommunications Industry Solutions, USA CCSA China Communications Standards Association ETSI The European Telecommunications Standards Institute TTA Telecommunications Technology Association, Korea TTC Telecommunication Technology Committee, Japan