ίκτυα Υπολογιστών (Γ έτος, ΣΤ εξ) ιάλεξη #9: Ασύρµατα & Κινητά δίκτυα. Γαβαλάς αµιανός dgavalas@aegean.gr Εαρινό εξάµηνο Περίληψη διάλεξης Ασύρµατες επικοινωνίες Ασύρµατες ζεύξεις: χωρητικότητα, αποστάσεις µειονεκτήµατα καναλιών CDMA IEEE 802.11 ( wi-fi ) πως το CSMA/CA αντανακλά τα χαρακτηριστικά των ασύρµατων καναλιών Κυψελωτή πρόσβαση αρχιτεκτονική πρότυπα (π.χ., GSM, CDMA-2000, UMTS) 1
Εξέλιξη των υπολογιστών στις δεκαετίες που έρχονται Οι Η/Υ είναι ενσωµατωµένοι (integrated) µικροί, φθηνοί, µεταφέρσιµοι (portable), αντικαταστάσιµοι Η τεχνολογία προσφέρει το υπόβαθρο για Η/Υ που: προσαρµόζονται στο περιβάλλον ( location awareness ) αναγνωρίζουν τη θέση του χρήστη και αντιδρούν αντίστοιχα Εξέλιξη στην τεχνολογία που επιτρέπει: περισσότερη υπολογιστική ισχύ σε µικρότερες συσκευές επίπεδες, ελαφριές οθόνες µε µικρή κατανάλωση ενέργειας µεγαλύτερο εύρος ζώνης Πολλαπλές ασύρµατες διεπαφές: ασύρµατα τοπικά δίκτυα (wireless LANs), ασύρµατα δίκτυα ευρείας περιοχής (wireless WANs) ύο σηµαντικές (αλλά διαφορετικές) προκλήσεις Επίτευξη επικοινωνίας µέσω ασύρµατης ζεύξης ιαχείριση κινητών χρηστών που αλλάζουν το σηµείο σύνδεσης στο δίκτυο 2
Κινητές επικοινωνίες Υπάρχουν δύο πλευρές κινητικότητας (mobility): Κινητικότητα χρήστη (user mobility): οι χρήστες επικοινωνούν ασύρµατα (wireless) «οποτεδήποτε, οπουδήποτε, µε οποιονδήποτε» ( anytime, anywhere, with anyone ) Μεταφερσιµότητα συσκευών (device portability): συσκευές devices can be connected anytime, anywhere to the network Η ζήτηση για κινητές επικοινωνίες δηµιουργεί την ανάγκη για ολοκλήρωση (integration) των ασύρµατων δικτύων και των σταθερών δικτύων Ασύρµατα τοπικά δίκτυα: πρότυπο IEEE 802.11 Internet: Mobile IP επέκταση του internet πρωτοκόλλου IP ίκτυα ευρείας περιοχής: π.χ., δικτύωση GSM και ISDN Εφαρµογές κινητών & ασύρµατων επικοινωνιών Οχήµατα Εκποµπή νέων, συνθηκών κίνησης, καιρού, µουσικής,... Προσωπικές επικοινωνίες (κινητή τηλεφωνία) µέσω GSM Εντοπισµός θέσης µέσω GPS τοπικά ad-hoc δίκτυα ανάµεσα σε κοντινά οχήµατα για αποφυγή ατυχηµάτων, παροχή βοήθειας, οδηγιών,... Επείγοντα Προληπτική εκποµπή δεδοµένων ασθενών σε νοσοκοµεία, πρώτη διάγνωση κρίσεις, πολεµικές εφαρµογές,... 3
Τυπική εφαρµογή: συνθήκες κίνησης ad hoc Εφαρµογές κινητών & ασύρµατων επικοινωνιών «Κινητά» στελέχη εταιριών (Travelling salesmen) Άµεση πρόσβαση σε αρχεία πελατών αποθηκευµένα σε κεντρικό server ενηµερωµένες databases για όλα τα στελέχη κινητό γραφείο Αντικατάσταση σταθερών δικτύων Αποµακρυσµένοι αισθητήρες (sensors), π.χ., καιρός, µετρήσεις γήινης / σεισµικής δραστηριότητας Ευελιξία για trade shows LANs σε ιστορικά κτήρια ιασκέδαση, εκπαίδευση,... Ασύρµατη πρόσβαση στο Internet Έξυπνοι ταξιδιωτικοί οδηγοί µε ενηµερωµένη πληροφορία ανάλογα µε τη θέση (location dependent information) ad-hoc δίκτυα για multi-user games 4
Κινητές συσκευές Κινητά τηλέφωνα (mobile phones) Φορητοί Η/Υ (laptops) Προσωπικοί ψηφιακοί βοηθοί (PDAs, Personal Digital Assistants) Η/Υ παλάµης (palmtops) Tablet PCs Pagers Κινητές συσκευές Pager µόνο λήψη πολύ µικρές οθόνες απλά text µηνύµατα PDA οθόνες γραφικών αναγνώριση χαρακτήρων απλό WWW Laptop/Notebook πλήρως λειτουργικά standard εφαρµογές Sensors, ενσωµατωµένοι controllers www.scatterweb.net Κινητά τηλέφωνα φωνή, δεδοµένα απλές οθόνες γραφικών performance Palmtop πολύ µικρά πληκτρολόγια απλές εκδόσεις standard εφαρµογών 5
Συνέπειες της µεταφερσιµότητας συσκευών Κατανάλωση ενέργειας Περιορισµένη υπολογιστική ισχύς, χαµηλής ποιότητας οθόνες, µικρός αποθηκευτικός χώρος CPU: κατανάλωση ενέργειας ~ CV 2 f C: εσωτερική χωρητικότητα, µειώνεται µε την ολοκλήρωση (integration) V: εφαρµοζόµενη τάση, µπορεί να µειωθεί σε ένα συγκεκριµένο όριο f: συχνότητα ρολογιού, µπορεί να µειωθεί προσωρινά Απώλεια δεδοµένων Μεγαλύτερη πιθανότητα, πρέπει να ληφθεί υπόψη στο σχεδιασµό (π.χ., ατέλεια κατασκευής, κλοπή) Περιορισµοί στις γραφικές διεπαφές χρήστη Συµβιβασµός ανάµεσα στο µέγεθος των δακτύλων και τη µεταφερσιµότητα ολοκλήρωση αναγνώρισης χαρακτήρων φωνής Περιορισµένη µνήµη flash-memory ή? ως εναλλακτική Ασύρµατα έναντι σταθερών δικτύων Υψηλότεροι ρυθµοί απώλειας δεδοµένων λόγω παρεµβολών π.χ. θόρυβος µηχανών, φωτισµός Περιορισµένοι κανόνες (regulations) για την κατανοµή συχνοτήτων Οι χρήσιµες συχνότητες είναι σχεδόν όλες κατηλειµµένες Χαµηλές ταχύτητες εκποµπής Σε τοπικά δίκτυα λίγα Mbit/s, πολύ µικρότερες σε δίκτυα ευρείας περιοχής (π.χ. GSM/GPRS) Μεγαλύτερες χρονικές καθυστερήσεις connection setup καθυστέρηση στο GSM, µερικές εκατοντάδες milliseconds σε άλλα ασύρµατα συστήµατα Χαµηλότερη ασφάλεια, πιο εύκολες «επιθέσεις» radio παρεµβολές προσβάσιµες στον καθένα, τα base stations µπορούν να προσοµοιωθούν ώστε να «ακούγονται» κλήσεις από κινητά τηλέφωνα Το (ασύρµατο) µέσο είναι πάντα κοινό (shared) Σηµαντική η ύπαρξη ασφαλών µηχανισµών πρόσβασης 6
Πρώιµη ιστορία των ασύρµατων επικοινωνιών Πολλοί λαοί στην ιστορία χρησιµοποιούσαν φως για επικοινωνία σηµαίες,... 150 π.χ. σήµατα καπνού 1794, οπτικός τηλέγραφος, Claude Chappe Τα ηλεκτροµαγνητική κύµατα έχουν ιδιαίτερη σηµασία στις ασύρµατες επικοινωνίες: 1831: Ο Faraday επιδεικνύει την ηλεκτροµαγνητική επαγωγή J. Maxwell (1831-79): θεωρία ηλεκτροµαγνητικών πεδίων, κυµατικές εξισώσεις (1864) H. Hertz (1857-94): επιδεικνύει µε ένα πείραµα τον κυµατικό χαρακτήρα της ηλεκτρικής µετάδοσης στο χώρο (1888, Καρλσρούη, Γερµανία) Ιστορία των ασύρµατων επικοινωνιών I 1896 Guglielmo Marconi Πρώτη επίδειξη ασύρµατου τηλέγραφου (ψηφιακός!) Μετάδοση µεγάλων µήκων κύµατος, απαραίτητη η µεγάλη ισχύς µετάδοσης (> 200kw) 1907 Εµπορικές υπερατλαντικές συνδέσεις Τεράστιοι σταθµοί βάσης (base stations) (30 κεραίες ύψους 100m) 1915 Ασύρµατη µετάδοση φωνής New York - San Francisco 1920 Ανακάλυψη µικροκυµάτων από τον Marconi Ανάκλαση στην ιονόσφαιρα Μικρότερων διαστάσεων µεταδότης και παραλήπτης 7
Ιστορία των ασύρµατων επικοινωνιών II 1928 πολλά πειράµατα TV broadcast trials (across Atlantic, color TV, TV news) 1933 ιαµόρφωση συχνότητας (Frequency modulation) - E. H. Armstrong 1958 A-Netz στη Γερµανία αναλογική, 160MHz, connection setup µόνο από τον κινητό σταθµό, όχι handover, 80% κάλυψη, το 1971 11000 πελάτες 1972 B-Netz στη Γερµανία αναλογική, 160MHz, connection setup και από το σταθερό δίκτυο (αλλά η θέση του κινητού σταθµού πρέπει να είναι γνωστή) 1979 NMT στα 450MHz (Σκανδιναβικές χώρες) 1982 Έναρξη καταγραφής των προδιαγραφών του GSM στόχος: πανευρωπαϊκό ψηφιακό σύστηµα κινητής τηλεφωνίας µε υποστήριξη roaming 1983 Έναρξη του Αµερικανικού AMPS (Advanced Mobile Phone System, αναλογικό) 1984 CT-1 standard (Ευρώπη) για ασύρµατα τηλέφωνα Ιστορία των ασύρµατων επικοινωνιών III 1992 Έναρξη του GSM πλήρως ψηφιακό, 900MHz, 124 channels Αυτόµατος εντοπισµός θέσης, hand-over, κυψελωτό (cellular) roaming στην Ευρώπη σήµερα παγκοσµίως, σε περισσότερες από 200 χώρες υπηρεσίες: δεδοµένα µε 9.6kbit/s, FAX, φωνή,... 1997 Ασύρµατα LAN IEEE 802.11 IEEE standard, 2.4-2.5GHz και infrared, 2Mbit/s Πολλά (ιδιόκτητα, proprietary) προϊόντα διαθέσιµα έως τότε 1998 Προδιαγραφές των επιγόνων του GSM UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) 66 δορυφόροι (+6 εφεδρικοί), 1.6GHz στην κινητή τηλεφωνία 8
Ιστορία των ασύρµατων επικοινωνιών ΙV 1999 Πρότυπα για επιπλέον ασύρµατα LANs IEEE πρότυπο 802.11b, 2.4-2.5GHz, 11Mbit/s Bluetooth για piconets, 2.4Ghz, <1Mbit/s Έναρξη των WAP (Wireless Application Protocol) και i-mode Πρώτο βήµα προς ένα ενοποιηµένο σύστηµα Internet/κινητό δίκτυο Πρόσβαση σε πολλές υπηρεσίες ειδικά για κινητά τηλέφωνα 2000 GSM µε υψηλότερους ρυθµούς µετάδοσης δεδοµένων Το HSCSD προσφέρει ως 57,6kbit/s Πρώτα GPRS πειράµατα trials with up to 50 kbit/s (packet oriented!) ιαγωνισµοί για UMTS άδειες Ο ντόρος ακολουθήθηκε από απογοήτευση (50 δις$ σπαταλήθηκαν στη Γερµανία για 6 άδειες!) 2001 Έναρξη 3G συστηµάτων Cdma2000 στην Κορέα, UMTS tests στην Ευρώπη, Foma (σχεδόν UMTS) στην Ιαπωνία Ασύρµατα συστήµατα: σύνοψη της ανάπτυξης 1981: NMT 450 1986: NMT 900 cellular phones 1992: GSM 1994: DCS 1800 1991: CDMA 1983: AMPS 1991: D-AMPS 1993: PDC satellites 1982: Inmarsat-A 1988: Inmarsat-C 1992: Inmarsat-B Inmarsat-M 1998: Iridium cordless phones 1980: CT0 1984: CT1 wireless LAN 1987: CT1+ 1989: CT 2 1991: DECT 199x: proprietary 1997: IEEE 802.11 1999: 802.11b, Bluetooth analogue digital 2000: GPRS 2001: IMT-2000 200?: Fourth Generation (Internet based) 2000: IEEE 802.11a 4G fourth generation: πότε και πως; 9
Χρήστες ασύρµατων τεχνολογιών παγκοσµίως (παλαιά πρόβλεψη 1998) # συνδροµητές κινητών τηλεφώνων σήµερα υπερβαίνει # συνδροµητές σταθερών τηλεφώνων! 700 600 500 400 300 200 Americas Europe Japan others total 100 0 1996 1997 1998 1999 2000 2001 Κινητά τηλέφωνα ανά 100 ανθρώπους το 1999 Germany Greece Spain Belgium France Netherlands Great Britain Switzerland Ireland Austria Portugal Luxemburg Italy Denmark Norway Sweden Finland 0 10 20 30 40 50 60 2005: 70-90% διείσδυση στην κεντρική Ευρώπη 10
Παγκόσµια αύξηση συνδροµητών κινητής τηλεφωνίας 1200 1000 Subscribers [million] 800 600 400 200 0 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 Ηκαµπύλη αρχίζει και γίνεται πιο επίπεδη από το 2000 2004: 1.5 δις χρήστες Συνδροµητές κινητής τηλεφωνίας ανά περιοχή (Ιούνιος 2002) Middle East; 1,6 Africa; 3,1 Americas (incl. USA/Canada); 22 Asia Pacific; 36,9 Europe; 36,4 11
Στοιχεία ενός ασύρµατου δικτύου δικτυακή υποδοµή ασύρµατοι κόµβοι laptop, PDA, IP τηλέφωνο εκτελούν εφαρµογές µπορεί να είναι σταθεροί ή κινητοί ασύρµατο δεν σηµαίνει απαραίτητα και κινητό! Στοιχεία ενός ασύρµατου δικτύου δικτυακή υποδοµή σταθµός βάσης (base station) τυπικά συνδέεται σε σταθερό δίκτυο Προωθεί πακέτα ανάµεσα στο σταθερό και το ασύρµατο δίκτυο στην «περιοχή» του π.χ., κεραίες κινητής τηλεφωνίας, 802.11 access points 12
Στοιχεία ενός ασύρµατου δικτύου δικτυακή υποδοµή ασύρµατη ζεύξη Τυπικά συνδέει ασύρµατους κόµβους σε base stations Μπορεί να χρησιµοποιηθεί και σε δίκτυα κορµού (διασύνδεση base stations) Η πρόσβαση στο κοινό (ασύρµατο) κανάλι συντονίζεται από ένα πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης (MAC protocol) ιάφοροι ρυθµοί µετάδοσης, αποστάσεις µετάδοσης Χαρακτηριστικά επιλεγµένων ασύρµατων προτύπων 54 Mbps 5-11 Mbps 1 Mbps 802.11{a,g} 802.15 802.11b.11 p-to-p link 384 Kbps 56 Kbps UMTS/WCDMA, CDMA2000 IS-95 CDMA, GSM 3G 2G Indoor Outdoor Mid range outdoor Long range outdoor 10 30m 50 200m 200m 4Km 5Km 20Km 13
Στοιχεία ενός ασύρµατου δικτύου δικτυακή υποδοµή λειτουργία Ο base station συνδέει τους κινητούς κόµβους στο σταθερό δίκτυο handoff: οι κινητοί κόµβοι αλλάζουν τον base station που τους παρέχει πρόσβαση στο σταθερό δίκτυο Ad-Hoc ασύρµατα δίκτυα Ad hoc δίκτυα δεν υπάρχουν base stations Οι κόµβοι επικοινωνούν µέσω άλλων κόµβων που βρίσκονται στην περιοχή εµβέλειάς τους Οι κόµβοι αυτοοργανώνονται σε ένα (ad hoc) δίκτυο: παρέχουν και δροµολόγηση ανάµεσα σε κόµβους που βρίσκονται ο ένας εκτός της εµβέλειας του άλλου 14
Χαρακτηριστικά ασύρµατων ζεύξεων ιαφορές σε σχέση µε τις ενσύρµατες ζεύξεις. Μειωµένη ισχύς σήµατος: τα ραδιοσήµατα εξασθενούν καθώς διαδίδονται µέσω της ύλης (path loss) Παρεµβολές µε άλλες πηγές: υπάρχουν πρότυπα για δικτυακές συχνότητες (π.χ., 2.4 GHz) που διαµοιράζονται µεταξύ συσκευών (π.χ. τηλέφωνα) ιάδοση πολλαπλών διαδροµών (multipath propagation): τα ραδιοσήµατα ανακλώνται σε επιφάνειες και αντικείµενα, και φτάνουν στον προορισµό τους σε διαφορετικούς χρόνους. η ασύρµατη επικοινωνία, ακόµα και από σηµείο-σε-σηµείο (point to point) είναι πιο δύσκολη Χαρακτηριστικά ασύρµατων ζεύξεων H ύπαρξη πολλαπλών αποστολέων και παραληπτών δηµιουργεί επιπλέον προβλήµατα (εκτός της πολλαπλής πρόσβασης στο κοινό κανάλι): C A B C A B A s signal strength C s signal strength Πρόβληµα κρυµµένου τερµατικού (Hidden terminal problem) B, A «ακούν» ο ένας τον άλλο B, C «ακούν» ο ένας τον άλλο A, C δεν «ακούν» ο ένας τον άλλο Άρα οι A, C αγνοούν ότι δηµιουργούν παρεµβολή στο B space Εξασθένηση σήµατος: B, A «ακούν» ο ένας τον άλλο B, C «ακούν» ο ένας τον άλλο A, C δεν «ακούν» ο ένας τον άλλο και δηµιουργούν παρεµβολή στο B 15
IEEE 802.11 Ασύρµατα LANs (Wi-Fi) Το Wi-Fi είναι ένα όνοµα που αναφέρεται σε όλες τις τεχνολογίες που προδιαγράφονται από τα ΙΕΕΕ 802.11 πρότυπα 802.11b 2.4-5 GHz φάσµα συχνοτήτων ως 11 Mbps Πολύ µεγάλη εγκατεστηµένη βάση, χρησιµοποιεί base stations 802.11a 5-6 GHz φάσµα συχνοτήτων ως 54 Mbps 802.11g 2.4-5 GHz φάσµα συχνοτήτων up to 54 Mbps Όλα τα πρότυπα χρησιµοποιούν CSMA/CA (παρόµοιο µ εκείνο των δικτύων Ethernet) ως πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης Χρησιµοποιούν διαφορετικές τεχνικές διαµόρφωσης (modulation) Όλα χρησιµοποιούν base-stations Τα 802.11b και 802.11g διαιρούν το φάσµα συχνοτήτων σε 14 κανάλια που το κέντρο των συχνοτήτων τους είναι σε απόσταση 5 MHz 802.11 LAN αρχιτεκτονική AP Internet hub, switch ή router Οι κόµβοι επικοινωνούν µε ένα base station base station = access point (AP) Basic Service Set (BSS) («κυψέλη», cell ) περιέχει: ασύρµατους κόµβους access point (AP): base station BSS 1 AP BSS 2 16
802.11: κανάλια, συσχετίσεις 802.11b: Το 2.4GHz-2.485GHz φάσµα διαιρείται σε 11 κανάλια διαφορετικών συχνοτήτων Ο διαχειριστής του AP επιλέγει τη συχνότητα του AP πιθανή παρεµβολή: το κανάλι µπορεί να είναι το ίδιο µε εκείνο κάποιου γειτονικού AP! κόµβοι: πρέπει να συσχετιστούν µε ένα AP «σκανάρουν» τα κανάλια,ακούγοντας για beacon frames που περιέχουν το όνοµα του AP (SSID) και τη MAC address του επιλέγουν το AP µε το οποίο συσχετίζονται τυπικά χρησιµοποιούν το πρωτόκολλο DHCP για να πάρουν την IP διεύθυνση που θα χρησιµοποιούν στο υποδίκτυο του AP IEEE 802.11: πολλαπλή πρόσβαση Συγκρούσεις (collisions): όταν 2 (ή παραπάνω) κόµβοι εκπέµπουν ταυτόχρονα 802.11: CSMA - «άκουσε» το κανάλι πριν εκπέµψεις Αποκλείεται η σύγκρουση µε µετάδοση δεδοµένων που βρίσκεται σε εξέλιξη 802.11: δεν υπάρχει ανίχνευση σύγκρουσης! Η ανίχνευση συγκρούσεων είναι δύσκολη κατά τη διάρκεια της µετάδοσης καθώς τα σήµατα που λαµβάνονται είναι εξασθενηµένα (fading) Έτσι κι αλλιώς η ανίχνευση όλων των συγκρούσεων είναι αδύνατη: hidden terminal, fading στόχος: αποφυγή συγκρούσεων: CSMA/C(ollision)A(voidance) C A B C A B A s signal strength C s signal strength space 17
IEEE 802.11 MAC πρωτόκολλο: CSMA/CA 802.11 αποστολέας 1 Αν το κανάλι είναι διαθέσιµο (idle) για διάστηµα DIFS τότε εκπέµπεις όλο το frame (χωρίς ανίχνευση σύγκρουσης) 2 Αν το κανάλι είναι κατειληµµένο τότε Περίµενε τυχαίο χρόνο (random backoff time) Εκπέµπεις όταν ο χρόνος εκλείψει Αν δε λάβεις ACK, περίµενε περισσότερο τυχαίο χρονικό διάστηµα και επανέλαβε το βήµα 2 802.11 παραλήπτης - Αν το frame έχει ληφθεί OK επέστρεψε ACK µετά από χρόνο SIFS (το ACK απαιτείται λόγω του hidden terminal problem) DIFS sender data ACK receiver SIFS Αποφυγή συγκρούσεων ιδέα: επέτρεψε στον αποστολέα αρχικά να δεσµεύσει το κανάλι αντί να στείλει άµεσα data frames: αποφυγή συγκρούσεων µεγάλων data frames Ο αποστολέας στέλνει αρχικά ένα µικρό request-tosend (RTS) πακέτο στον BS χρησιµοποιώντας CSMA Τα RTSs µπορεί να συγκρουστούν (αλλά είναι µικρά, άρα µικρο το κακό) Οι BS στέλνουν (broadcast) clear-to-send CTS πακέτο σε απάντηση του RTS Τα RTS λαµβάνονται από όλους τους κόµβους Ο αποστολέας εκπέµπει το data frame Οι άλλοι κόµβοι αναβάλουν την εκποµπή των πακέτων τους 18
Αποφυγή συγκρούσεων: ανταλλαγή RTS-CTS A AP B RTS(A) RTS(B) reservation collision RTS(A) CTS(A) CTS(A) DATA (A) αναβολή χρόνος ACK(A) ACK(A) 802.11 frame: διευθυνσιοδότηση frame control 2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4 duration address 1 address 2 address 3 seq control address 4 payload CRC Address 1: MAC address του ασύρµατου κόµβου ή του AP για τον οποίο προορίζεται το frame Address 2: MAC address του ασύρµατου κόµβου ή του AP που εκπέµπει το frame Address 3: MAC address της διεπαφής (interface) όπου συνδέεται το AP Address 4: χρησιµοποιείται µόνο σε ad hoc mode (όταν δεν υπάρχουν APs) 19
802.11 frame: διευθυνσιοδότηση H1 R1 router Internet AP R1 MAC addr AP MAC addr dest. address AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr source address 802.3 frame («παραδοσιακό» Ethernet frame) address 1 address 2 address 3 802.11 frame 802.11 frame: διευθυνσιοδότηση διάρκεια του reserved transmission time (RTS/CTS) frame Α/Α # (για αξιόπιστο ARQ) frame control 2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4 duration address 1 address 2 address 3 seq control address 4 payload CRC 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1 Protocol To From More Power More Type Subtype Retry WEP Rsvd version AP AP frag mgt data Τύπος frame (RTS, CTS, ACK, data) 20
802.11: κινητικότητα µέσα στο ίδιο υποδίκτυο (subnet) O H1 παραµένει στο ίδιο IP subnet: Μπορεί να διατηρήσει την ίδια IP διεύθυνση switch: ποιο AP συσχετίζεται µε τον H1; Αυτόµατη προσαρµογή: ο switch θα δει κάποιο frame από τον H1 και θα θυµηθεί ποιο switch port µπορεί να χρησιµοποιήσει για να «φθάσει» τον H1 BBS 1 AP 1 router hub or switch AP 2 H1 BBS 2 802.15: ίκτυα προσωπικής περιοχής (personal area networks) ιάµετρος < 10 m Αντικατάσταση καλωδίων (mouse, πληκτρολόγιο, ακουστικά) ad hoc: δεν υπάρχει δικτυακή υποδοµή Αφέντες/σκλάβοι (master/slaves): Οι slaves ζητούν από το master την άδεια να εκπέµψουν Ο master εκχωρεί την άδεια 802.15: προήλθε από τις προδιαγραφές του Bluetooth 2.4-2.5 GHz µπάντα συχνοτήτων Ταχύτητες ως 721 kbps S M S P S P M P S P radius of coverage P Master device Slave device Parked device (inactive) 21
Στοιχεία αρχιτεκτονικής ενός κυψελωτού δικτύου (cellular network) κυψέλη (cell) καλύπτει µια γεωγραφική περιοχή base station (BS) ανάλογο µε το ΑΡ του 802.11 κινητοί χρήστες συνδέονται στο δίκτυο µέσω ενός BS air-interface: πρωτόκολλο του physical και link layer µεταξύ του κινητού και του BS MSC συνδέει κυψέλες σε ένα δίκτυο ευρείας περιοχής διαχειρίζεται την εγκατάσταση σύνδεσης (call setup) διαχειρίζεται την κινητικότητα συσκευών Mobile Switching Center Mobile Switching Center ηµόσιο τηλεφωνικό δίκτυο και Internet σταθερό δίκτυο 22
Στοιχεία αρχιτεκτονικής ενός κυψελωτού δικτύου (cellular network) ηµόσιο τηλεφωνικό δίκτυο και Internet correspondent MSC MSC MSC MSC MSC ιαφορετικά κυψελωτά δίκτυα, που λειτουργούν από διαφορετικούς τηλεπικοινωνιακούς παρόχους Κυψελωτά συστήµατα (cellular systems) 23
ιαµοίραση συχνοτήτων σε ένα κυψελωτό δίκτυο τηλεφωνίας G F G F Β Α E Β Α E C D C D G F G F Β Α E Β Α E C D C D G F Β Α E C D Κυψελώτα συστήµατα: διαχείριση φάσµατος συχνοτήτων ύο τεχνικές για τον καταµερισµό του φάσµατος συχνοτήτων κινητό-προς-bs Συνδυασµός FDMA/TDMA: διαίρεση του φάσµατος σε κανάλια συχνοτήτων, διαίρεση κάθε καναλιού σε χρονοθυρίδες (time slots) CDMA: code division multiple access (πολλαπλή πρόσβαση µε διαίρεση κώδικα) frequency bands time slots 24
Κυψελώτα συστήµατα: σύνοψη 2G συστήµατα: κανάλια φωνής IS-136 TDMA: συνδυασµός FDMA/TDMA (Βόρειος America) GSM (global system for mobile communications): συνδυασµός FDMA/TDMA ιατηρεί τη µεγαλύτερη εγκατεστηµένη βάση δικτύων παγκοσµίως IS-95 CDMA: code division multiple access Χρησιµοποιούν µεταγωγή κυκλώµατος (circuit-switched) Κάθε τηλεφωνική κλήση ή αποστολή δεδοµένων δεσµεύει ένα κανάλι Εφαρµόζεται χρονοχρέωση (καθώς το κανάλι είναι κατειληµµένο ανεξάρτητα από το αν στέλνονται δεδοµένα ή όχι) CDMA-2000 GPRS IS-136 TDMA/FDMA EDGE GSM IS-95 UMTS Κυψελωτά συστήµατα: σύνοψη 2.5 G συστήµατα: επικοινωνίες φωνής & δεδοµένων για όσους δεν µπορούν να περιµένουν για την 3G: επεκτάσεις 2G general packet radio service (GPRS) εξέλιξη από το GSM εδοµένα µπορούν να σταλούν πάνω από πολλαπλά κανάλια (αν υπάρχουν διαθέσιµα) Ταχύτητες ως 171 Κ enhanced data rates for global evolution (EDGE) επίσης εξέλιξη του GSM, χρησιµοποιώντας προηγµένες τεχνικές διαµόρφωσης Ταχύτητες ως 384K Χρησιµοποιούν µεταγωγή πακέτου (packet-switched) Η αποστολή δεδοµένων δεν δεσµεύει ένα κανάλι Εφαρµόζεται ογκοχρέωση 25
Κυψελωτά συστήµατα: σύνοψη 3G systems: επικοινωνίες φωνής & δεδοµένων Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS) Το επόµενο βήµα του GSM, αλλά µε χρήση CDMA Ταχύτητες ως 2 Μbps Εξέλιξη δικτύων κινητής τηλεφωνίας Ρυθµοί µετάδοσης 2 Mbps 1 Mbps 4-5G (10 Mbps+) 3G (144Kbps - 2Mbps) 100 Kbps 10 Kbps 1 Kbps 1G (<1Kbps 2G (9.6Kbps) GSM 2.5G (10-171Kbps) GPRS EDGE, UMTS Αναλογικά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας 1980 1990 2000 2010 Έτη 26
ιαχείριση της κινητικότητας στα κυψελωτά δίκτυα home network: το δίκτυο του κυψελωτού τηλεπικοινωνιακού φορέα στο οποίο υπάρχει συνδροµή (π.χ., Vodafone, TIM) home location register (HLR): βάση δεδοµένων στο home network που περιέχει το τον αριθµό του κινητού τηλεφώνου, πληροφορίες προφίλ χρήστη (υπηρεσίες, προτιµήσεις, χρέωση), πληροφορία σχετικά µε την τρέχουσα τοποθεσία (µπορεί να είναι σε άλλο δίκτυο) visited network: δίκτυο στο οποίο φιλοξενείται τώρα το κινητό τηλέφωνο visitor location register (VLR): βάση δεδοµένων µε πληροφορίες για κάθε χρήστη που φιλοξενείται σε αυτό το δίκτυο GSM: έµµεση δροµολόγηση στο κινητό mobile user HLR 2 Το home MSC ζητάει από τη HLR το roaming number του κινητού στο visited network home network home Mobile Switching Center VLR Mobile Switching Center 4 visited network 3 correspondent 1 Η κλήση Public switched telephone network δροµολογείται στο home network Το home MSC εγκαθιστά το 2ο κοµµάτι της κλήσης στο MSC του visited network Το MSC στο visited network ολοκληρώνει την εγκατάσταση της κλήσης µέσω του base station στο κινητό 27
GSM: handoff µε κοινό MSC old BSS VLR Mobile Switching Center old routing new routing new BSS Στόχος του Handoff: δροµολόγηση της κλήσης µέσω ενός νέου base station (χωρίς διακοπή) Λόγοι για handoff: Ισχυρότερο σήµα από/προς το νέο BSS (συνεχιζόµενη σύνδεση, µικρότερη κατανάλωση ενέργειας) Κατανοµή φόρτου: ελευθέρωση καναλιών στο τρέχον BSS Το handoff προκαλείται από το παλιό BSS GSM: handoff µε κοινό MSC old BSS VLR Mobile Switching Center 2 4 1 7 8 3 5 6 new BSS 1. Το παλιό BSS πληροφορεί το MSC για επικείμενο handoff, παρέχει λίστα από 1 + νέα (γειτονικά BSSs) 2. Το MSC εγκαθιστά κανάλι (allocates resources) προς το νέο BSS 3. Το νέο BSS δεσµεύει ένα ραδιοκανάλι για να χρησιµοποιηθεί από το κινητό 4. Το νέο BSS ειδοποιεί το MSC, και το παλιό BSS ότι είναι έτοιµο 5. το παλιό BSS λέει στο κινητό: εκτέλεσε handoff προς το νέο BSS 6. Το κινητό και το νέο BSS επικοινωνούν για να ενεργοποιήσουν το νέο κανάλι 7. Το κινητό ειδοποιεί το MSC µέσω του νέου BSS ότι το handoff ολοκληρώθηκε. Το MSC επαναδροµολογεί την κλήση 8 Το κανάλι ανάµεσα στο MSC και το παλιό BSS απελευθερώνεται 28
GSM: handoff µε κοινό MSC home network Home MSC anchor MSC MSC correspondent PSTN MSC MSC anchor MSC: το πρώτο MSC που εξυπηρέτησε το κινητό στη διάρκεια της κλήσης Η κλήση εξακολουθεί να δροµολογείται µέσω του anchor MSC νέα MSCs προστίθενται στο τέλος της αλυσίδας των MSC καθώς το κινητό κινείται προς άλλο MSC (a) before handoff GSM: handoff ανάµεσα σε MSCs home network Home MSC anchor MSC MSC correspondent PSTN MSC MSC anchor MSC: το πρώτο MSC που εξυπηρέτησε το κινητό στη διάρκεια της κλήσης Η κλήση εξακολουθεί να δροµολογείται µέσω του anchor MSC νέα MSCs προστίθενται στο τέλος της αλυσίδας των MSC καθώς το κινητό κινείται προς άλλο MSC (b) after handoff 29