ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΙΝΗΤΩΝ 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 Δευτέρα 18:00-20:00) Κινητικότητα στο διαδίκτυο(πασκαλής Παρασκευή 18:00-20:00)
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
ISP A B The Internet Satellite IP backbone C Broadcast Networks (DAB, DVB-T) 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
2G (GSM)
GSM Abbreviation for Global System for Mobile Communications In the mid 1980 s, most of Europe didn t have a cellular network They weren t committed to analog After many years of research, GSM was proposed around 1990 Covered Germany, France, England, and Scandinavia In Greece GSM started in 1993 Goals: Roaming throughout all of Europe Low power and inexpensive devices All digital to offer 64kbps throughput Never achieved
GSM Services Voice, 3.1 khz Some data transmission is possible with very low speeds (originally 9.6kbps) e.g. fax. Short Message Service (SMS) 1985 GSM standard that allows messages of at most 160 chars (incl. spaces) to be sent between handsets and other stations SMS is the most widely used data application in the world, with 3.6 billion active users, or 78% of all mobile phone subscribers (2011).
GSM Frequencies Originally designed on 900MHz range, later available on 800MHz, 1800MHz and 1900 MHz ranges. Separate Uplink and Downlink frequencies One example channel on the 1800 MHz frequency band, where RF carriers are spaced every 200 khz UPLINK FREQUENCIES DOWNLINK FREQUENCIES 1710 MHz 1785 MHz 1805 MHz 1880 MHz UPLINK AND DOWNLINK FREQUENCY SEPARATED BY 95MHZ
Uplink/Downlink frequency channels
GSM resource allocation
GSM System Multiple Access Time Division Multiple Access (TDMA) 992 voice channels/cell Time (8 slots/frame) Frequency (124 channels)
GSM architecture BTS BSC GMSC BTS MSC BSC BTS EIR AUC HLR VLR
GSM main components Base Transceiver Station (BTS): Encodes, encrypts, multiplexes, modulates and feeds the RF signals to the antenna. Base Station Controller (BSC): Manages Radio resources for BTSs, assigns frequency and time slots for all mobile terminals in its area. Mobile Switching Center (MSC): Heart of the network, call setup function and basic switching, call routing, billing information and collection, mobility management. Home/Visiting Location Registers (HLR/VLR): permanent/temporary database about mobile subscribers in a large service area. Authentication Center (AUC): Protects against intruders in air interface, maintains authentication keys and algorithms. Equipment Identity Register (EIR): Database that is used to track handsets using the IMEI (International Mobile Equipment Identity).
GPRS (General Packet Radio Service) GSM upgrade that provides IP-based packet data transmission up to 171 kbps (never allowed) Users can simultaneously make calls and send data GPRS provides always on Internet access and the Multimedia Messaging Service (MMS) Performance degrades as number of users increase GPRS is an example of 2.5G telephony
GPRS Architecture Other Packet data networks BTS Gp BSC GGSN BTS BSC Gb SGSN Gs Gr Gn BTS PDN Gi GGSN Gf EIR Gc VLR HLR D
Main difference with GSM SGSN (Serving GPRS Support Node): Packet switching with mobility management capabilities. Responsible for the delivery of data packets from and to the mobile stations within its geographical service area. GGSN (Gateway GPRS Support Node): Packet switch interworking with other data networks (Internet). Converts the GPRS packets coming from the SGSN into the appropriate packet data protocol format (e.g., IP)
GPRS System Multiple Access Time Slot Number 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 F1 F2 Uplink Carrier Frequency F3 F4 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 F1 F2 F3 Downlink F4 Voice User1 Voice User2 GPRS User1 GPRS User2 GPRS User3
3G 3G refers to a set of standards that comply to IMT-2000 specifications by ITU The following standards are typically branded 3G: the UMTS system, first offered in 2001, standardized by 3GPP, used primarily in Europe the CDMA2000 system, first offered in 2002, standardized by 3GPP2, used especially in North America
IMT-2000 Vision Includes LAN, WAN and Satellite Services Satellite Global Suburban Urban In-Building Macrocell Microcell Picocell Basic Terminal PDA Terminal Audio/Visual Terminal
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Voice quality comparable to the public switched telephone network 144 Kbps/user in high-speed motor vehicles 384 Kbps/pedestrian standing or moving slowly over small areas Up to 2 Mbps for fixed applications like office use Symmetrical/asymmetrical data transmission rates Support for both packet switched and circuit switched data services like Internet Protocol (IP) traffic and real time video
UMTS Architecture
UMTS Network Architecture UMTS network architecture consists of three domains Core Network (CN): Provide switching, routing and transit for user traffic UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN): Provides the air interface access method for user equipment. User Equipment (UE): Terminals work as air interface counterpart for base stations.
UMTS QoS Classes Traffic class Conversational class Streaming class Interactive class Background Fundamental characteristics Preserve time relation between information entities of the stream Conversational pattern (stringent and low delay) Preserve time relation between information entities of the stream Request response pattern Preserve data integrity Destination is not expecting the data within a certain time Preserve data integrity Example of the application Voice, videotelephony, video games Streaming multimedia Web browsing, network games Background download of emails
UMTS In Detail Uu Iu USIM ME Cu Node B Node B Node B Node B Iub RNC RNC Iur MSC/ VLR SGSN GMSC HLR GGSN External Networks UE UTRAN CN
3.5G (HSPA) High Speed Packet Access (HSPA) is an amalgamation of two mobile telephony protocols, High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) and High Speed Uplink Packet Access (HSUPA), that extends and improves the performance of existing WCDMA protocols 3.5G introduces many new features that enhance the UMTS technology. These include: - Adaptive Modulation and Coding - Fast Scheduling - Backward compatibility with 3G - Enhanced Air Interface
Service Roadmap Improved performance, decreasing cost of delivery Typical average bit rates (peak rates higher) A number of mobile services are bearer independent in nature Voice & SMS GSM 9.6 kbps 3G-specific services take advantage of higher bandwidth and/or real-time QoS MMS picture / video xhtml browsing Application downloading E-mail Presence/location Push-to-talk GPRS 171 kbps Multitasking WEB browsing Corporate data access Streaming audio/video EGPRS 473 kbps Video sharing Video telephony Real-time IP multimedia and games Multicasting WCDMA 2 Mbps Broadband in wide area HSPA 1-10 Mbps
Ασύρματα Θέματα σχεδίασης Ραδιοδίαυλος Θόρυβος Διαλείψεις Πολυπλεξία, πολλαπλή πρόσβαση. Παρεμβολές, επαναχρησιμοποίηση φάσματος Διασύνδεση σταθμών βάσης, κινητικότητα χρηστών. Ασφάλεια επικοινωνιών.
Επίδραση της κινητικότητας στην εξέλιξη των τηλεπικοινωνιακών δικτύων Η εξέλιξη των τηλεπικοινωνιακών δικτύων εστιάζει: Στη βελτίωση της ποιότητας και της ποικιλίας των υπηρεσιών που προσφέρονται. Στην υποστήριξη της κινητικότητας (mobility) επικοινωνίας, σε όποια μορφή και αν εμφανίζεται αυτή.