Ασύρματες Κινητές Επικοινωνίες Ενότητα 7: Long Term Evolution (LTE) Μιχάλας Άγγελος Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα του ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας και της Ανώτατης Εκκλησιαστικής Ακαδημίας Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
LTE
Σκοποί ενότητας Σκοπός της ενότητας είναι η μελέτη των κυψελωτών δικτύων τέταρτης γενιάς (4G) LTE. 5
Περιεχόμενα ενότητας (1/4) Εκδόσεις του LTE. Βασικές Προδιαγραφές. Η αρχιτεκτονική του LTE. Επίπεδα αρχιτεκτονικής LTE. Αρχιτεκτονική Επίπεδο 3. Αρχιτεκτονική Επίπεδο 2. 6
Περιεχόμενα ενότητας (2/4) Αρχιτεκτονική διαύλων. Υπηρεσίες από το υποεπίπεδο Medium Access Control (MAC) στο Radio Link Control (RLC). Υπηρεσίες από το Φυσικό επίπεδο στο MAC. Χρονοπρογραμματισμός. Ποιότητα υπηρεσίας στο LTE. Αρχεία κεφαλίδας και χώρος ονομάτων. 7
Περιεχόμενα ενότητας (3/4) Η μέθοδος main. Δημιουργία των δικτύων πρόσβασης και κορμού. Δημιουργία των κόμβων του δικτύου. Ορισμός της θέσης των κόμβων. Δημιουργία των συσκευών LTE. Σύνδεση του εξοπλισμό χρήστη με τον σταθμό βάσης. 8
Περιεχόμενα ενότητας (4/4) Καθορισμός διευθύνσεων Internet Protocol (IP). Ορισμός φορέα. User Datagram Protocol (UDP) server και client. Διάρκεια προσομοίωσης. Σημείωση. Ασκήσεις. 9
Εκδόσεις του LTE Εικόνα 1. Εκδόσεις του LTE 10
Βασικές Προδιαγραφές (1/2) Μέγιστος ρυθμός δεδομένων. Downlink: 100 Mbps (LTE) - 1 Gbps (LTE-Advanced). Uplink: 50 Mbps (LTE) 500 Mbps (LTE-Advanced). Μέγιστη αποτελεσματικότητα φάσματος. Downlink: 30 bps/hz. Uplink: 15 bps/hz. 11
Βασικές Προδιαγραφές (2/2) Κινητικότητα. Βελτιστοποιημένο για 0 με 15 km/h. 15 με 120 km/h υποστηρίζεται με υψηλή απόδοση. Υποστηρίζεται μέχρι 350 km/h ή ακόμα και μέχρι 500 km/h. 12
Η αρχιτεκτονική του LTE (1/5) Η αρχιτεκτονική ενός δικτύου LTE αποτελείται από δύο βασικά συστατικά. Το δίκτυο κορμού (Evolved Packet Core - EPC). Το δίκτυο πρόσβασης (Evolved UMTS Radio Access Network - EUTRAN). 13
Η αρχιτεκτονική του LTE (2/5) Home Subscriber Server (HSS): Περιέχει πληροφορίες (συνδρομής κτλ.) σχετικά με τους χρήστες. Mobility Management Entity (MME): Οντότητα Υποστήριξης Κινητικότητας. Packet Data Network Gateway (P-GW): Παρέχει πρόσβαση σε ένα δίκτυο μεταγωγής πακέτων. Serving Gateway (S-GW): Παρέχει πρόσβαση στο δίκτυο κορμού του LTE. Evolved packet Core (EPC): Δίκτυο κορμού. Evolved Universal Terrestrial Access Network (E- UTRAN): Δίκτυο πρόσβασης. 14
Η αρχιτεκτονική του LTE (3/5) Εικόνα 2. Η αρχιτεκτονική του LTE 15
Η αρχιτεκτονική του LTE (4/5) enodeb: «Έξυπνος κόμβος» ή Σταθμός Βάσης User Equipment (UE): Εξοπλισμός χρήστη ΜΜΕ: Οντότητα Υποστήριξης Κινητικότητας S-GW: Παρέχει πρόσβαση στο δίκτυο κορμού του LTE E-UTRAN: Δίκτυο πρόσβασης 16
Η αρχιτεκτονική του LTE (5/5) Εικόνα 3. Η αρχιτεκτονική του LTE 17
Επίπεδα αρχιτεκτονικής LTE Εικόνα 4. Επίπεδα αρχιτεκτονικής LTE 18
Αρχιτεκτονική Επίπεδο 3 Radio Resource Control (RRC). Μαζί με το Protocol Stack Non Access Stratum (PS NAS), παρέχει υποστήριξη για τις διαδικασίες σηματοδοσίας μεταξύ του εξοπλισμού χρήστη και του σταθμού βάσης. Σύνδεση εξοπλισμού χρήστη με σταθμό βάσης. Διαχείριση κινητικότητας κτλ.. 19
Αρχιτεκτονική Επίπεδο 2 (1/15) Υπο-επίπεδο Packet Data Convergence Protocol (PDCP). Κρυπτογράφηση δεδομένων. Προστασία ακεραιότητας των δεδομένων. Απαλοιφή διπλοτύπων πακέτων. Μπορεί να προκύψουν διπλότυπα κατά τη διαπομπή (handover). 20
Αρχιτεκτονική Επίπεδο 2 (2/15) Υπο-επίπεδο PDCP (συνέχεια). Συμπίεση του IP header. Η συμπίεση βασίζεται στο Robust Header Compression - ROHC. Τυποποιημένος αλγόριθμος συμπίεσης επικεφαλίδων. 21
Αρχιτεκτονική Επίπεδο 2 (3/15) Υποεπίπεδο PDCP (συνέχεια). Bidirectional Optimistic mode (O-mode). Όμοια με την unidirectional mode. με τη διαφορά ότι ένα feedback channel χρησιμοποιείτε για τη μεταφορά αιτημάτων επαναφοράς από σφάλμα και βεβαιώσεων από τον αποσυμπιεστή προς τον συμπιεστή. 22
Αρχιτεκτονική Επίπεδο 2 (4/15) Υποεπίπεδο PDCP (συνέχεια). Bidirectional reliable mode (R-mode). Περισσότερη χρήση του feedback channel. Πρόληψη χασίματος του συγχρονισμού μεταξύ συμπιεστή και αποσυμπιεστή. 23
Αρχιτεκτονική Επίπεδο 2 (5/15) Υπο-επίπεδο Radio Link Control (RLC). Ανίχνευση διπλότυπων. 24
Αρχιτεκτονική Επίπεδο 2 (6/15) Υπο-επίπεδο RLC (συνέχεια). Τρεις καταστάσεις λειτουργίας. Με βεβαιώσεις (acknowledged). Κατάτμηση/συνένωση πακέτων. Προσθήκη επικεφαλίδων RLC. Εγγύηση μεταφοράς και διατήρησης της σειράς των πακέτων. Αναμεταδόσεις σε περίπτωση σφαλμάτων με χρήση του Automatic Repeat request (ARQ). 25
Αρχιτεκτονική Επίπεδο 2 (7/15) Τρεις καταστάσεις λειτουργίας (συνέχεια). Χωρίς βεβαιώσεις (unacknowledged). Κατάτμηση/συνένωση πακέτων. Προσθήκη επικεφαλίδων RLC. Δεν εγγυάται την επιτυχή μεταφορά των πακέτων. 26
Αρχιτεκτονική Επίπεδο 2 (8/15) Τρεις καταστάσεις λειτουργίας (συνέχεια). Διάφανος (transparent). Δεν παρέχει υπηρεσίες κατάτμησης/συνένωσης πακέτων. Δεν προσθέτει επικεφαλίδες RLC. Δεν εγγυάται τη επιτυχή μεταφορά των πακέτων. 27
Αρχιτεκτονική Επίπεδο 2 (9/15) Υποεπίπεδο RLC (συνέχεια). Εικόνα 5. Λειτουργία μετάδοσης χωρίς βεβαιώσεις. 28
Αρχιτεκτονική Επίπεδο 2 (10/15) Υποεπίπεδο RLC (συνέχεια). Εικόνα 6. Λειτουργία λήψης χωρίς βεβαιώσεις. 29
Αρχιτεκτονική Επίπεδο 2 (11/15) Υποεπίπεδο RLC (συνέχεια). Εικόνα 7. Λειτουργία μετάδοσης με βεβαιώσεις. 30
Αρχιτεκτονική Επίπεδο 2 (12/15) Υποεπίπεδο RLC (συνέχεια). Εικόνα 8. Λειτουργία λήψης με βεβαιώσεις. 31
Αρχιτεκτονική Επίπεδο 2 (13/15) Υποεπίπεδο RLC (συνέχεια). Εικόνα 9. Λειτουργία με βεβαιώσεις. Ο αποστολέας λαμβάνει θετική βεβαίωση. 32
Αρχιτεκτονική Επίπεδο 2 (14/15) Υποεπίπεδο RLC (συνέχεια). Εικόνα 10. Λειτουργία με βεβαιώσεις. Ο αποστολέας λαμβάνει αρνητική βεβαίωση. 33
Αρχιτεκτονική Επίπεδο 2 (15/15) Υπο-επίπεδο Medium Access control (MAC) Πολυπλεξία λογικών καναλιών. Χρονοπρογραμματισμός Uplink και Downlink. Ανίχνευση και διόρθωση λαθών με χρήση Hybrid Automatic Repeat request (HARQ). 34
Αρχιτεκτονική διαύλων Εικόνα 11. Αρχιτεκτονική διαύλων 35
Υπηρεσίες από το υποεπίπεδο MAC στο RLC Το Medium Access Control (MAC) παρέχει υπηρεσίες στο Radio Link Control (RLC) με τη μορφή λογικών διαύλων. Ένας λογικός δίαυλος ορίζεται από τον τύπο των πληροφοριών που μεταφέρει και ταξινομείται ως. Δίαυλος ελέγχου. Χρησιμοποιείται για τη διαβίβαση των πληροφοριών ελέγχου και διαμόρφωσης. Δίαυλος κυκλοφορίας. Χρησιμοποιείται για μεταφορά δεδομένων. 36
Υπηρεσίες από το Φυσικό επίπεδο στο MAC (1/2) Το Φυσικό επίπεδο παρέχει υπηρεσίες στο επίπεδο MAC υπό τη μορφή «καναλιών μεταφοράς». Ένα κανάλι μεταφοράς καθορίζει τη μορφή και τα χαρακτηριστικά με τα οποία τα δεδομένα μεταδίδονται μέσω της ραδιοεπαφής. Τα δεδομένα σε ένα κανάλι μεταφοράς οργανώνονται σε μπλοκ μεταφοράς (transport blocks). 37
Υπηρεσίες από το Φυσικό επίπεδο στο MAC (2/2) Σε κάθε Διάστημα Μετάδοσης (Transmission Time Interval - ΤΤΙ). Το πολύ ένα μπλοκ μεταφοράς μεταδίδεται μέσω της ραδιοεπαφής από/προς ένα τερματικό. Σε περίπτωση εφαρμογής Multiple Input Multiple Output (MIMO), μπορεί να υπάρχουν έως και δύο μπλοκ μεταφοράς ανά Διάστημα Μετάδοσης. 38
Χρονοπρογραμματισμός Ο χρονοπρογραμματισμός σχετίζεται με την εκχώρηση των διαθέσιμων πόρων στους χρήστες του συστήματος. Π.χ. ένας βασικός χρονοπρογραματιστής είναι ο Proportional Fairness. Στόχος του η ανάθεση στους χρήστες ίσων τμημάτων δικτυακών πόρων. 39
Ποιότητα υπηρεσίας στο LTE (1/2) Στο LTE η κίνηση δεδομένων κατανέμεται σε φορείς (bearers). Ένας φορέας μπορεί να μεταφέρει πολλές ροές δεδομένων ταυτόχρονα. Οι ροές δεδομένων ενός φορέα εισπράττουν την ίδια Ποιότητα Υπηρεσίας (Quality of Service - QoS). 40
Ποιότητα υπηρεσίας στο LTE (2/2) Εικόνα 12. Κίνηση δεδομένων σε bearers (απόδοση στα ελληνικά από http://www.telecom-cloud.net, Harish Valada, copyright 2010-2012 Telecom Cloud Theme by NeoEase. Valid XHTML 1.1 and CSS3). 41
Αρχεία κεφαλίδας και χώρος ονομάτων Εισάγουμε τα απαραίτητα αρχεία κεφαλίδας (header files) και καθορίζουμε το χώρο ονομάτων που θα χρησιμοποιήσουμε. #include "ns3/lte-helper.h" #include "ns3/epc-helper.h" #include "ns3/core-module.h" #include "ns3/network-module.h" #include "ns3/internet-module.h" #include "ns3/mobility-module.h" #include "ns3/lte-module.h" #include "ns3/applications-module.h" #include "ns3/netanim-module.h" using namespace ns3; NS_LOG_COMPONENT_DEFINE ("Lab7"); 42
Η μέθοδος main Δημιουργούμε τη μέθοδο main. Αρχικοποιούμε κάποιες μεταβλητές. Ενεργοποιούμε την καταγραφή των μηνυμάτων των UdpClient και UdpServer. int main (int argc, char *argv[]) { double simtime = 5.0; double interval = 0.01; LogComponentEnable("UdpClient", LOG_LEVEL_INFO); LogComponentEnable("UdpServer", LOG_LEVEL_INFO); 43
Δημιουργία των δικτύων πρόσβασης και κορμού Χρησιμοποιώντας τον LteHelper υλοποιούμε τη λειτουργικότητα του δικτύου πρόσβασης. Αντίστοιχα, χρησιμοποιώντας τον EpcHelper υλοποιούμε τη λειτουργικότητα του δικτύου κορμού. Καθορίζουμε ότι θα χρησιμοποιήσουμε τον χρονοπρογραμματιστή Proportional Fairness (PfFfMacScheduler). Ptr<LteHelper> ltehelper = CreateObject<LteHelper> (); Ptr<EpcHelper> epchelper = CreateObject<EpcHelper> (); ltehelper->setepchelper (epchelper); ltehelper->setschedulertype("ns3::pfffmacscheduler"); 44
Δημιουργία των κόμβων του δικτύου Δημιουργούμε έναν κόμβο εξοπλισμού χρήστη (User Equipment - UE) κι ένα κόμβο σταθμού βάσης (enb). NodeContainer uenodes; NodeContainer enbnodes; enbnodes.create(1); uenodes.create(1); 45
Ορισμός της θέσης των κόμβων Καθορίζουμε τις θέσεις των κόμβων. Στο σενάριό μας οι κόμβοι δεν θα μετακινούνται στο χώρο. Ptr<ListPositionAllocator> positionalloc = CreateObject<ListPositionAllocator> (); positionalloc->add (Vector(0, 0, 0)); positionalloc->add (Vector(5, 10,0)); MobilityHelper mobility; mobility.setmobilitymodel("ns3::constantpositionmobilitymodel"); mobility.setpositionallocator(positionalloc); mobility.install(enbnodes); mobility.install(uenodes); 46
Δημιουργία των συσκευών LTE Εγκαθιστούμε τη λειτουργικότητα σταθμού βάσης LTE κι εξοπλισμού χρήστη LTE, στους κόμβους σταθμού βάσης κι εξοπλισμού χρήστη, αντίστοιχα. NetDeviceContainer enbltedevs = ltehelper->installenbdevice (enbnodes); NetDeviceContainer ueltedevs = ltehelper->installuedevice (uenodes); 47
Σύνδεση του εξοπλισμό χρήστη με τον σταθμό βάσης Συνδέουμε τον εξοπλισμό χρήστη με τον σταθμό βάσης, ώστε να μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους μεταξύ τους. ltehelper->attach (ueltedevs.get(0), enbltedevs.get(0)); 48
Καθορισμός διευθύνσεων IP Εγκαθιστούμε τη στοίβα πρωτοκόλλων TCP κι ορίζουμε τις IP διευθύνσεις των συσκευών. InternetStackHelper internet; internet.install (uenodes); Ipv4InterfaceContainer ueipiface; ueipiface = epchelper->assignueipv4address (NetDeviceContainer (ueltedevs)); Ipv4InterfaceContainer enbipiface; enbipiface = epchelper->assignueipv4address (NetDeviceContainer (enbltedevs)); 49
Ορισμός φορέα Δηλώνουμε ότι θα χρησιμοποιήσουμε τον προεπιλεγμένο φορέα για τη μεταφορά των ροών δεδομένων. Οι Non Guaranteed Bit Rate (NGBR ) φορείς δεν παρέχουν εγγυημένη ποιότητα υπηρεσίας. ltehelper->activateepsbearer (ueltedevs, EpsBearer (EpsBearer::NGBR_VIDEO_TCP_DEFAULT), EpcTft::Default ()); 50
UDP server και client (1/3) Δημιουργούμε ένα κόμβο που θα λαμβάνει πακέτα (server) και θέτουμε την πόρτα στην οποία θα ακούει. uint16_t serverport = 22000; ApplicationContainer clientapps; ApplicationContainer serverapps; UdpServerHelper dlserver(serverport); serverapps = dlserver.install (enbnodes.get (0)); 51
UDP server και client (2/3) Δημιουργούμε τον κόμβο που θα στέλνει την κίνηση στο δίκτυο (client) και θέτουμε κάποιες παραμέτρους. Το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο διαδοχικών πακέτων. Το μέγιστο αριθμό πακέτων που μπορεί να στείλει ο client και το μέγεθος του πακέτου. Τις χρονικές στιγμές έναρξης και λήξης της αποστολής πακέτων. Επιπλέον, καθορίζουμε τις χρονικές στιγμές έναρξης και λήξης λειτουργίας του server. 52
UDP server και client (3/3) UdpClientHelper ulclient (enbipiface.getaddress(0), serverport); ulclient.setattribute ("Interval", TimeValue (Seconds(interval))); ulclient.setattribute ("MaxPackets", UintegerValue(20000000)); clientapps.add (ulclient.install (uenodes.get(0))); serverapps.start (Seconds (1)); clientapps.start (Seconds (1.5)); ltehelper->enabletraces (); 53
Διάρκεια προσομοίωσης Καθορίζουμε τη διάρκεια της προσομοίωσης. Δημιουργούμε το αρχείο για το NetAnim. Simulator::Stop(Seconds(simTime)); AnimationInterface anim ("lab7.xml"); Simulator::Run(); Simulator::Destroy(); return 0; } 54
Απεικόνιση της προσομοίωσης με το NetAnim Ανοίγουμε το αρχείο lab7.xml με το NetAnim. Εικόνα 13. Απεικόνιση προσομοίωσης. 55
Σημείωση Πριν την εκτέλεση του παραπάνω σεναρίου, μεταφερθείτε στην τοποθεσία /ns-3.16/src/internet/helper κι ανοίξτε με ένα επεξεργαστή κειμένου το αρχείο internet-stackhelper.cc. Βάλτε σε σχόλια τις γραμμές 393 και 394 ( Aggregating an InternetStack to a node with an existing Ipv4 object ). Επίσης, μεταφερθείτε στην τοποθεσία /ns- 3.16/src/lte/helper κι ανοίξτε με ένα επεξεργαστή κειμένου το αρχείο epc-helper.cc. Βάλτε σε σχόλια τη γραμμή 218 ( GetNInterfaces () == 2 ). 56
Ασκήσεις (1/4) 1. Περιγράψτε σε μία παράγραφο το LTE. 2. Περιγράψτε σε μία παράγραφο το EPC και E-UTRAN του LTE. 3. Εκτελέστε το σενάριο lab7.cc και καταγράψτε τα αποτελέσματα χρησιμοποιώντας το αρχείο awk. 57
Ασκήσεις (2/4) 4. Πειραματιστείτε με την τιμή του interval και καταγράψτε ποιο είναι το μέγιστο throughput που μπορεί να επιτευχθεί στο σενάριό μας. Δοκιμάστε τουλάχιστον 5 διαφορετικές τιμές για το interval και καταγράψτε τα αποτελέσματα από το αρχείο awk, ώστε να τα χρησιμοποιήσετε στην επόμενη ερώτηση. 58
Ασκήσεις (3/4) 5. Χρησιμοποιώντας το gnuplot, δημιουργήστε μία γραφική παράσταση με τη ρυθμαπόδοση (throughput) στον άξονα y και την κίνηση δεδομένων (traffic) στον άξονα x, για τα 5 intervals που καταγράψατε στο προηγούμενο ερώτημα. 6. Προσθέστε έναν ακόμα εξοπλισμό χρήστη στο σενάριο. 7. Ρυθμίστε το σενάριο ώστε να στέλνει δεδομένα (traffic) ο ένας εξοπλισμός χρήστη στον άλλο. Αποθηκεύστε το ως lab7b.cc και συμπεριλάβετε το στα παραδοτέα της άσκησης. 59
Ασκήσεις (4/4) 8. Καταγράψτε τα αποτελέσματα με χρήση του αρχείου awk. 9. Εκτελέστε το τροποποιημένο σενάριο 5 φορές, εφαρμόζοντας τα 5 διαφορετικά intervals που χρησιμοποιήσατε στην άσκηση 4. Χρησιμοποιώντας το gnuplot, δημιουργήστε μία γραφική παράσταση με τη ρυθμαπόδοση (throughput) στον άξονα y και την κίνηση (traffic) στον άξονα x,σύμφωνα με τα αποτελέσματα που θα προκύψουν. 60
Βιβλιογραφία 1. Βασικές Αρχές Ασύρματης Επικοινωνίας, David Tse, Pramod Viswanath, Εκδόσεις Κλειδάριθμος. 2. ΔΙΚΤΥΑ ΚΙΝΗΤΩΝ & ΠΡΟΣΩΠΙΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ, Θεολόγου Μ., Εκδοτικός Οίκος: ΤΖΙΟΛΑ Έτος έκδοσης: 2007 ISBN: 978-960-418-126-1. 3. Εισαγωγή στα ασύρματα συστήματα, Black, Dipiazza, Ferguson. 4. Συστήματα Κινητών Επικοινωνιών, Κανάτας Αθανάσιος, Κωνσταντίνου Φίλιππος, Πάντος Γεώργιος. 61
Τέλος Ενότητας 62