Communication Networks Laboratory Ασύρµατα Συστήµατα 4ης Γενιάς (4G Systems) υναµική Αναδιάταξη (Reconfigurability) Βαγγέλης Γαζής 2ος όροφος NOC Τηλ: 210-727-5419 email: gazis@di.uoa.gr
οµή Παρουσίασης Εισαγωγή Βασικές έννοιες Ασύρµατα συστήµατα 4ης γενιάς (4G) Ορισµοί Χαρακτηριστικά υνατότητες Λειτουργικότητα υναµική αναδιάταξη (Reconfigurability) Ορισµοί Χαρακτηριστικά υνατότητες Λειτουργικότητα Ερευνητικά θέµατα Slide 2
Communication Networks Laboratory Ασύρµατα ίκτυα & Συστήµατα 4ης Γενιάς (4G Mobile Communication Systems) Βαγγέλης Γαζής 2ος όροφος NOC Τηλ: 210-727-5419 email: gazis@di.uoa.gr
Ασύρµατα Συστήµατα Πρότυπα, Τεχνολογίες και Υπηρεσίες Γενιές Πρότυπο Τεχνολογία Υπηρεσίες 1η (1G) Ένα Αναλογική Τηλεφωνία 2η (2G) Ένα Ψηφιακή Τηλεφωνία, SMS, Fax, Short rate data 3η (3G) Ένα Ψηφιακή Τηλεφωνία, SMS, Fax, Medium rate data 4η (4G) Πολλά Ψηφιακή Τηλεφωνία, SMS, Fax, High rate data Slide 4
Ασύρµατα Συστήµατα ΙΜΤ-2000 ή 3G Τι εννούµε σήµερα λέγοντας IMT-2000 ή 3G Εξελιγµένες επικοινωνιακές υπηρεσίες προς κινητούς χρήστες και οι σχετικές τεχνολογίες που υποστηρίζουν αυτές τις υπηρεσίες Υποστηριζόµενος ρυθµός µετάδοσης: 2 Mb/s από σταθερή θέση 384 kb/s για κίνηση µε ταχύτητα βαδίσµατος 144 kb/s για κίνηση µε ταχύτητες έως 100 km/h Slide 5
υνατότητες Υπηρεσίας Επικοινωνιακών Προτύπων Mobility and range High speed vehicular rural UMTS (3G) Vehicular urban Pedestrian indoor Fixed urban DECT IEEE 802.11a BRAN Personal area Bluetooth HiperLaN/2 Hiperaccess 0.5 2 20 155 Total data rate per call (Mb/s) Slide 6
Communication Networks Laboratory Ασύρµατα ίκτυα & Συστήµατα Εξέλιξη και Τυποποίηση
Ασύρµατα ίκτυα Παγκόσµια Κάλυψη 2ης Γενιάς (GSM) Slide 8
Φορείς Τυποποίησης: Ασύρµατα ίκτυα 3ης Γενιάς 3GPP2 cdma2000 (IS-95+) IS-136+ 3GPP (GERAN) TIA/ANSI WCDMA+GSM 3GPP WCDMA+GSM Slide 9
Ασύρµατα ίκτυα και Συστήµατα ιαδιακασία Τυποποίησης Slide 10
Ασύρµατα ίκτυα και Συστήµατα Φορείς Τυποποίησης: 3GPP Slide 11
Ασύρµατα ίκτυα και Συστήµατα Σήµερα (1/2) Κυψελωτά συστήµατα 1 δισεκατοµύριο χρήστες παγµοσµίως Το UMTS υπό εµπορική ανάπτυξη Καθυστέρηση στην τυοποποίηση των πολυµεσικών επεκτάσεων του UMTS (3GPP) Συνδεσιµότητα σηµαντικότερη από το περιεχόµενο Ψηφιακή αναµετάδοση DVB-S διαθέσιµο παργοσµίως και το DVB-T υπό εµπορική ανάπτυξη Βελτιστοποιηµένη για Internet συνδέσεις και αλληλεπιδραστικότητα Η σύγκλιση τνω κλάδων κυψελωτών επικοινωνιών και ψηφιακής αναµετάδοσης είναι µια θετική εξέλιξη Wireless LAN Hiperlan/2 που αναπτύχθηκε στην Ευρώπη και 802.11a 802.11B ραστηριότητες στα 17GHz και 60 GHz Ξεκίνησαν οι UWB δραστηριότητες µέσω του IEEE 802.15 Επέκταση της ασύρµατης συνδεσιµότητητας σε ad-hoc, BAN, PAN Slide 12
Ασύρµατα ίκτυα και Συστήµατα Σήµερα (2/2) ορυφορικά συστήµατα ύσκολοι καιροί για for συγκροτήµατα (Iridium, Globalstar) Επιτυχία στην αναµετάδοση και εξειδικευµένες αγορές για ασύρµατες σταθερές και κινητές επικοινωνίες Ακολουθεί η παροχή αλληλεπιδραστικών υπηρεσιών αναµετάδοσης HAPS εµφανίζονται ως συµπλήρωµα των κυψελωτών συστηµάτων και των συστηµάτων αναµετάδοσης Σταθερή ασύρµατη πρόσβαση Απατείται η επαλήθευση της οικονοµικής βιωσιµότητας Τα 40 GHz θεωρούνται φάσµα µε πολλές δυνατότητες Βελτιστοποίηση φάσµατος Τεράστια η επίδραση των τεχνικών δυναµικής ανάθεσης φάσµατος Προσαρµοζόµενες αντέννες, MIMO, συµπίεση Reconfigurability Καταλυτικός τεχνολογικός παράγοντας για δίκτυα 4ης γενιάς Slide 13
Ασύρµατα ίκτυα και Συστήµατα Korean Beyond IMT-2000 Vision GMSC IS-95A/B/C(1x) PSTN MSC Integrated Packet Access Gateway Media/ Signalling Gateway Satellite Grand Internet Converged IP-based Common Core Net. Converged Wire/WL Access IP-Macro Mobility Backbone IPv6, All IP IP-based Access Network Micro-mobility/IntServ Digital Audio/Video Broadcasting WLAN Bluetooth UWB FWA Wireless Local Access Networks cdma EV with All IP features Inter system/ Inter frequency Handover UTRAN with All IP features Macro/Micro Hot Spots ADSL Slide 14
Ασύρµατα ίκτυα και Συστήµατα European Beyond IMT-2000 Vision Billing AAA SIP Proxy Server Vertical Handover AAL2 Switching Cloud UMTS IGSN IP backbone DiffServ IP - macro mobility management Gateway Global Internet SP Server Farm Bluetooth IP-based micro-mobility ISSL QoS ADSL BRAIN Access Routers Hiperlan/802.11 MIND Wireless Routers MIND Mobile Routers HIPERLAN Slide 15
Ασύρµατα ίκτυα και Συστήµατα ITU-R Vision Κίνηση Ο αριθµός των χρηστών υπηρεσιών τηλεφωνίας θα κορεστεί έως το 2010 DL Traffic : UL Traffic = 2.6 : 1 by 2010 Αύξηµένη κίνηση δεδοµένων το 2015 = 4.7 * Αύξηση της κίνησης δεδοµένων το 2010 DL Traffic : UL Traffic = 19 : 1 by 2015 Slide 16
Ασύρµατα ίκτυα και Συστήµατα ITU-R Vision(1/2) Επεκτάσεις και βελτιώσεις IMT-2000 Σταθερή και συνεχής βελτίωση 3GPP HSDPA 3GPP2 cdma2000 1xEV-DV Εύρος ζώνης προς το τερµατικό περίπου 30 Mb/s µέχρι το 2005 ιάρκεια ζωής της υπηρεσίας µέχρι το 2020 Συστήµατα πέρα από IMT-2000 Επιθυµητό εύρος ζώνης µέχρι το 2010 Έως 100 Mbps για Mobile Access Έως 1000 Mbps για Nomadic/Local Area Wireless Access QoS & κόστος συγκρίσιµα µε το ενσύρµατο δίκτυο Παγκόσµια περιαγωγή Το απαραίτητο φάσµα θα εκχωρηθεί από WRC-2006 Slide 17
Ασύρµατα ίκτυα και Συστήµατα ITU-R Vision(2/2) υνατότητες IMT-2000 & Systems beyond Systems beyond IMT-2000 Mobility Capabilities New Elements of Systems Beyond High IMT-2000 Enhanced Mobile IMT-2000 Access Enhancement Medium Digit al broadcasting Digital sattelite broadcasting Terrestrial digital broadcasting Low Nomadic / Local area wireless access Mobility Speed Pedestrian (3Km/h) Medium (50-60Km/h) High(60-250Km/h or more) 1 10 100 1000 Peak Useful Data Rate Communication speed (Mbit/s) denotes interconnection between systems via networks or the like, which allows flexible use in any environments without making users aware of constituent systems. Slide 18
Αλληλοσυµπλήρωση Επικοινωνιακών Προτύπων Mobility and range Systems beyond IMT-2000 High speed vehicular rural Vehicular urban Enhanced IMT-2000 Mobile Access Pedestrian indoor IMT-2000 Fixed urban Personal area Digital Broadcasting Nomadic Local area Wireless Access 1 10 100 Bandwidth (Mb/s) Slide 19
Η Εξέλιξη των Τεχνολογιών Ασύρµατης Επικοινωνίας Wide area coverage Local area coverage TDMA CDPD 43.2 Kbps GSM HSCSD 115.2 Kbps PDC/PDCP 14.4 Kbps cdmaone (IS-41) 76.8 Kbps 2G IEEE 802.11b 1-11 Mbps GPRS 170 Kbps cdma2000 1X 308 Kbps IEEE 802.11a 6-54 Mbps HiperLAN II 54 Mbps 3G EDGE 384 Kbps WCDMA FDD 2 Mbps GERAN 475 Kbps cdma2000 1XEV-DO 2.4 Mbps cdma2000 1XEV-DV 5.4 Mbps OFDM at the 5-6 GHz U-NII Harmonization EDGE Upgrades 2 Mbps WCDMA TDD 2 Mbps WCDMA HSPDA 10 Mbps TD-SCDMA 2 Mbps 3G Evolution Higher data rate WLAN (100 Mbps) Downlink Future wireless systems Slide 20 4G
Ασύρµατα ίκτυα 4ης Γενιάς υνατότητες Κινητικότητας increased mobility and cell size distribution layer cellular layer hot spot layer personal network layer fixed (wired) layer DAB and/or DVB possible return channels 2G: e.g. GSM IMT-2000 UMTS X X X X WLAN type e.g. ETSI BRAN horizontal handover within a system X X X X X X X X X vertical handover between systems Full coverage Global roaming Full mobility Not necessary individual links Full coverage and hot spots Global roaming Full mobility Individual links Local coverage Hot spots Global roaming Local mobility Individual links Short range (e.g. Bluetooth, DECT) Global roaming Individual links No mobility Global roaming Individual links Slide 21
Ασύρµατα ίκτυα 4ης Γενιάς Παράδειγµα Κινητικότητας Wireline or Wireless Networks (Internet) GSM HAPS Satellite Services WLAN Bluetooth UMTS Content Slide 22
Ασύρµατα ίκτυα 4ης Γενιάς Παράδειγµα Αρχιτεκτονικής Accounting SIP VHE Billing AAA Media Gateway Ad-hoc/PAN GGSN IP Core Network/Internet SGSN Mobile Network SGSN BSC RNC BTS Node B 2G Access Network 5/6/2003 PSTN/ISDN Fixed/Wireless Network Access Concentrator Access Router WLAN Access Network 3G Access Network Communication Networks Laboratory Slide 23
Ασύρµατα ίκτυα και Συστήµατα Εξέλιξη Business Model 2G 3G GSM Operator Service provider Transport provider Access provider Subscriber Service provider Στατική σύνδεση πρόσβασης και υπηρεσίας Content provider UMTS Operator Transport provider Access provider Subscriber Content Aggregator Νέος ρόλος για χρηστο-κεντρική παροχή πρόσβασης και υπηρεσιών Service provider Access provider 4G Application provider Content provider Transport provider Mediator Subscriber Content Aggregator Access provider User User Σπάσιµο ποπλυπλοκότητας από NxM σε Nx1xM User Slide 24
Ευρώπαϊκή Ένωση Information Society Technologies (IST) Πλαισιωτικό Πρόγραµµα 6 (FP6) Στόχος η υλοποίηση του οράµατος "Optimally Connected Anywhere, Anytime (ABC) Early preparatory work has characterized Systems beyond 3G as an horizontal communication model,where different terrestrial access levels and technologies are combined to complement each other in an optimum way for different service requirements and radio environments that may include: The personal level (Personal/Body Area/Ad Hoc Network) The local/home level (W-LAN,UWB) The cellular level (GPRS,UMTS) The wider area level (DxB-T,BWA) Slide 25
Ασύρµατα Συστήµατα 4ης Γενιάς Απαιτήσεις Χρήστη Context-aware service discovery υνατότητες κινητού τερµατικού υνατότητες δικτύου πρόσβασης Χαρακτηριστικά της εφαρµογής Προσωπικές προτιµήσεις Βέλτιστοποιηµένη υποστήριξη της εφαρµοφής QoS Μοντέλο χρέωσης Ασφάλεια Radio coverage Bandwidth Mobility Quality of service WLAN UMTS BWA Security Cost PAN HAPS Slide 26
Ασύρµατα Συστήµατα 4ης Γενιάς Απαιτήσεις Εφαρµογής και Υπηρεσίας Ανεξαρτησία εφαρµογής Ελαχιστοποίηση εξαρτήσεων από επιλογές υλοποίησης Πλατφόρµα υλικού (Intel, AMD, etc) Λειτουργικό σύστηµα (Windows, Linux, Symbian, etc) Βιβλιοθήκες (RPC, POSIX, etc) Μεταφερσιµότητα υπηρεσίας Write Once, Run Anywhere Απαραίτητο ένα υποστηρικτικό πλαίσιο ασφάλειας υναµική εγκατάσταση υπηρεσίας ή εφαρµογής Καταχώρηση, ενηµέρωση και διαγραφή Ανεξαρτησία από δικτυακές τεχνολογίες υλοποίησης Slide 27
Ασύρµατα Συστήµατα 4ης Γενιάς Ετερογένεια ικτυακή Πολλά διαφορετικά administrative domains Περίπλοκη περιαγωγή (roaming) ύσκολη η επίτευξη διαφανούς συνδεσιµότητας (seamless connectivity) κατά την διάρκεια handoffs µεταξύ δικτύων µε διαφορετικές τεχνολογίες πρόσβασης ίκτυα και αρχιτεκτονικές µε διαφορετικές δυνατότητες κάλυψης, κινητικότητας, εύρους ζώνης και υπηρεσίας Επιµέρους αρχιτεκτονικές και συστήµατα σχεδιασµένα και βετιστοποιηµένα για µια συγκεκριµένη χρήση Απρόβλεπτη κινητικότητα χρήστη και διαφορετικές δυνατότητες των επιµέρους συστηµάτων δυσκολεύουν την διατήρηση µιας συγκεκριµένης ποιότητας υπηρεσίας Slide 28
Ασύρµατα Συστήµατα 4ης Γενιάς Ετερογένεια Εφαρµογής Εφαρµογές προστιθέµενης αξίας (value-added services) από τον δικτυακό λειτουργό (network operator) Εφαρµογές από επιχειρησιακούς συνεργάτες (partners) ή γενικώς τρίτους (third parties) µε διαφορετικές απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας (QoS) Περιεχόµενο σε διάφορες µορφές το οποίο ενδεχοµένως υπόκειται σε διαφορετικά µοντέλα χρέωσης (pre-paid, online, post-paid, flatrate, volume-based, time-based, transaction) Χρήστη Υποκειµενικές εκτιµήσεις, ενδιαφεροντα και προτιµήσεις Slide 29
Ασύρµατα Συστήµατα 4ης Γενιάς Λειτουργικές Απαιτήσεις (1/2) Προσαρµοζόµενη παροχή υπηρεσίας Με βάση τις δυνατότητες και τους πόρους του κινητού τερµατικού και του δικτύου/ων πρόσβασης Αντικειµενοστραφή πληροφοριακά µοντέλα Κοινή εικόνα της εσωτερικής οργάνωσης του δικτυακού εξοπλισµού ακόµη και από διαφορετικούς κατασκευαστές Ανεξάρτητα από τεχνολογίες υλοποίησης Επιτρέπουν την ενοποιηµένη διαχείριση δικτυακού εξοπλισµού σε πολλαπλά διαφορετικά δίκτυα Υποστήριξη αυτόµατης παραµετροποίησης υναµική αναδιάταξη (reconfigurability) για την δυναµική εγκατάσταση, παραµετροποίηση και χρησιµοποίηση των απαραίτητων πρωτοκόλλων Slide 30
Ασύρµατα Συστήµατα 4ης Γενιάς Λειτουργικές Απαιτήσεις (2/2) ιαλειτουργική διαχείριση ποιότητας υπηρεσίας Αποδοχή εισερχόµενης κίνησης (admission control) Σηµατοδοσία QoS µεταξύ διαφορετικών τεχνολογιών ιαχείριση QoS µεταξύ διαφορετικών τεχνολογιών Ευέλικτοι µηχανισµοί χρέωσης ιαφορετικά µοντέλα χρέωσης για υπηρεσίες πρόσβασης, εφαρµογές και περιεχόµενο Online συσχέτιση και έλεγχος κόστους Κινητά τερµατικά και εφαρµογές Write once, run anywhere (JAVA) API για την υποστήριξη προσαρµοστικότητας (adaptability) και δυναµικής αναδιάταξης (reconfigurability) Slide 31
Ασύρµατα Συστήµατα 4ης Γενιάς Γενική Λειτουργική Αρχιτεκτονική User Agent Policy Service Agent Policy Network Agent Open API Access Router Network WLAN Information model Access Network MT Policy Terminal Agent Network Agent Open API Node B 3G Access Network Open API Policy Discovery of service options QoS levels Pricing models Signaling QoS requirements Possible QoS levels Runtime QoS adaptations Signaling user preferences User profile update Capturing context User mobility & device location Resource consumption Registering interest in events To adapt application behavior Ο έλεγχος και η διαχείριση της δικτυακής υποδοµής θα πρέπει να υιοθετεί υ µια τυποποιηµένη λογική αρχιτεκτονική η οποία είναι προσπελάσιµη µέσω open API Slide 32 RNC
Communication Networks Laboratory υναµικά Αναδιατασσόµενα Συστήµατα (Reconfigurable Systems) Βαγγέλης Γαζής 2ος όροφος NOC Τηλ: 210-727-5419 email: gazis@di.uoa.gr
Ασύρµατα ίκτυα 4ης Γενιάς Παράδειγµα Αρχιτεκτονικής Software Repositories Reconfiguration Manager Billing Router GGSN GGSN IP Core Network/Internet SGSN Access Concentrator BTS BSC Node B SGSN RNC Access Router WLAN Access Network 2G Access Network 3G Access Network Slide 34
υναµικά Αναδιατασσόµενα Συστήµατα Αρχιτεκτονική κινητού τερµατικού Mobile Phone Εφαρµογή Browser Browser Streaming Point-to-Point Data Data Messaging Application Protocols Protocols ίκτυο Socket Socket API API IP IP Protocols Protocols QoS QoS Management PPP PPP Packet Packet Classifier Classifier Link Link Management SM/MM SM/MM Ζεύξη Bluetooth Bluetooth EDGE EDGE UMTS UMTS GPRS GPRS 99 99 GSM GSM CS CS WLAN WLAN Slide 35
υναµικά Αναδιατασσόµενα Συστήµατα Παράδειγµα: Bluetooth vcard/vcal OBEX WAE WAP AT Commands TCS BIN SDP UDP TCP IP PPP RFCOMM L2CAP Audio Host Controller Interface LMP Baseband Bluetooth Radio Slide 36
υναµικά Αναδιατασσόµενα Συστήµατα Πρότυπα: οµή & εξαρτήσεις Protocol subsystem Protocol dependencies SIP TCP UDP RTP TCP/IP standards IP Ethernet WLAN WLAN standards UMTS UMTS standards Slide 37
υναµικά Αναδιατασσόµενα Συστήµατα Υποσυστήµατα: υναµική διαµόρφωση Protocol subsystem Protocol dependencies SIP TCP UDP IP RTP + Lucent IP Cisco IP Nokia IP Ethernet WLAN GPRS Nokia WLAN Cisco WLAN Lucent GPRS Slide 38
υναµικά Αναδιατασσόµενα Συστήµατα Υπάρχοντα Συστήµατα Linux Αρθρωτός (modular) πυρήνας (kernel) 2.Χ παρέχει την δυνατότητα εισαγωγής/εξαγωγής αρθρώµατος (module) δίχως επανεκκίνηση του συστήµατος Ένα άρθρωµα µπορεί να υλοποιεί οποιαδήποτε λειτουργία Εγγυάται εκκίνηση όλων των προαπαιτούµενων αρθρωµάτων Windows Το υποσύστηµα υπηρεσιών (services) παρέχει την δυνατότητα εκκίνησης/παύσης/τερµατισµού υπηρεσίας δίχως επανεκκίνηση του συστήµατος Εγγυάται εκκίνηση όλων των προαπαιτούµενων υπηρεσιών Κινητό Τηλέφωνο Slide 39
Communication Networks Laboratory υναµικά Αναδιατασσόµενα Συστήµατα Ανάλυση Λειτουργικότητας
υναµικά Αναδιατασσόµενα Συστήµατα Βασικές Αρχές Λειτουργίας (Ν + 1) SDU (Ν + 1) 1) Layer (Ν + 0) PDU (Ν + 1) SAP Control signaling (Ν + 0) SAP In-memory data transfers (Ν + 0) SDU Encode Common Signaling Protocol Semaphores Interrupts etc (Ν + 0) 0) Layer (Ν 1 ) PDU Common Representation Format Little Endian Big Endian etc Slide 41 Decode
υναµικά Αναδιατασσόµενα Συστήµατα Βασικές Λειτουργικές Απαιτήσεις Ένα είδος συστήµατος / ένα είδος υλοποίησης Common Representation Format Common Signaling Protocol Dynamic Class Loading Ένα είδος συστήµατος / πολλά είδη υλοποίησης Common Representation Format Adapters for each different implementation (encoders / decoders) Common Signaling Protocol Dynamic Class Loading Πολλά είδη συστήµατος / πολλά είδη υλοποίησης? Slide 42
υναµικά Αναδιατασσόµενα Συστήµατα Ανάλυση Λειτουργικότητας (Ν + 1) SAP (Ν + 1) SAP (Ν + 1) SDU (Ν + 1) 1) Layer (Ν + 0) PDU (Ν + 1) 1) Layer Process SDU (Ν + 0) SAP (Ν + 0) SAP (Ν + 0) SDU (Ν + 0) 0) Layer (Ν 1 ) PDU (Ν + 0) 0) Layer Process SDU Slide 43
υναµικά Αναδιατασσόµενα Συστήµατα Ανάλυση Λειτουργικότητας (Ν + 1) SAP (Ν + 1) SAP (Ν + 1) 1) Layer Process SDU (Ν + 1) 1) Layer Process SDU (Ν + 0) SAP (Ν + 0) SAP (Ν + 0) 0) Layer Process SDU (Ν + 1) 1) Layer Process SDU Slide 44
υναµικά Αναδιατασσόµενα Συστήµατα Ανάλυση Λειτουργικότητας (Ν + 1) 1) Layer (Ν + 1) SAP Process (Ν (Ν + 1) 1) Layer Layer Process (Ν (Ν + 1) 1) Layer Layer Process (Ν (Ν + 1) 1) Layer Layer Process SDU (Ν + 0) SAP (Ν + 0) 0) Layer (Ν (Ν + 1) 1) Layer Layer (Ν (Ν + 1) 1) Layer Layer (Ν (Ν + 1) 1) Layer Layer Process Process Process Process SDU Slide 45
υναµικά Αναδιατασσόµενα Συστήµατα ιαχείριση Λειτουργικότητας Λειτουργίες Download Install / Uninstall Configure Create / Destroy Link / Unlink Activate / Deactivate Suspend / Resume Group Standard interface Standard interface Standard interface Standard interface (Ν (Ν + 1) 1) Layer Layer Process (Ν (Ν + 1) 1) Layer Layer Process (Ν (Ν + 1) 1) Layer Layer Process (Ν (Ν + 1) 1) Layer Layer Process (Ν (Ν + 1) 1) Layer Layer Process (Ν (Ν + 1) 1) Layer Layer Process Standard interface Standard interface Slide 46