Luento 11
Transcription
Luento 11
Tulevaisuuden langattomat järjestelmät Jukka K. Nurminen Edellisellä kerralla • Televerkon toiminta – – – – – Puhelinverkon periaate Puhelinkeskuksen toiminta Siirtojärjestelmät Puhelun kytkeminen, Signalointiverkko SS7 Älyverkkopalveluiden toteutus • Matkapuhelinverkko – Langattomuus ja sen haasteet – Mobiiliverkon perusperiaate ja rakenne – Ydintoiminnallisuus: liikkuvuuden hallinta, puhelun muodostus, tukiaseman vaihto 2 GSM: Puhelun muodostus ko&verkko HLR Soittaja 2 GMSC GMSC kysyy HLR:tä minkä keskuksen alla puhelin on MSC kysyy VLR:tä, minkä BSC:n alla puhelin on 1 vierailuverkko VLR 4 3 MSC Puhelu ohjataan GMSC:lle Julkinen puhelinverkko BSC Puhelu ohjataan vierailuverkon MSC:lle 5 Mobiilikäyttäjä BSC BSC lähettää hakuviestin tukiasemilleen ja pyytää puhelinta ilmoittautumaan 6 Puhelin signaloidaan hälyttämään ja vastattaessa puhelu voidaan muodostaa Luennon sisältö • Datan siirto matkapuhelin verkoissa (GPRS, UMTS, LTE) – Nopeampaa datansiirtoa – Tehokkaampaa radiokaistan hyödyntämistä • Bluetooth • NFC GSM 9.6 kbps 5 LangaRoman datasiirron tavoiReita • Siirtonopeus • Viive • Resurssien tehokas käyRö purskeisen datan siirrossa • Määräpohjainen laskutus (aikapohjaisen asemesta) • Vähäinen virrankulutus GSM radiorajapinta • Yhdistelmä FDMA (Frequency Division Mul&ple Access, taajuusjako) ja TDMA (Time Division Mul&ple Access, aikajako) tekniikoista • Solu käyRää vakiotaajuuRa • Puhelu käyRää sille soviRuja aikavälejä • Nopeus 9.6 kbps • Nopean datasiirron ongelma: tarviRaisiin enemmän aikavälejä, muRa vain datasiirron ajaksi Aikavälit (per puhelu) GPRS-‐verkko • Rajallisten radioresurssien tehokas hyödyntäminen IP pohjaiseen &edonsiirtoon. Nopeus ~40 kbps • GPRS hyödyntää samaa radioverkkoa kuin GSM – Radio Access Network (RAN) – BSS-‐järjestelmään lisätään &etoliikennepakeReja väliRävä yksikkö • Tukiasemalta GPRS-‐pake&t tunneloidaan saman verkon ylitse kuin muu GSM-‐data (puhelut) • Toimii kaikkialla missä GSM verkko on tarjolla (UMTS peiRo ei välRämäRä kaRava) Ydinajatus • KäyRää vapaita aikavälejä (1-‐N kpl) kun datapakeReja on jonossa siirreRäväksi (esim. 50 kbit/s kun käytetään &lapäises& neljää aikaväliä) • Aikavälejä allokoidaan dynaamises& tarpeen mukaan – Puheella prioritee` GPRS tukiasemajärjestelmä keskusjärjestelmä PSTN MS BTS BSC MSC, VLR GMSC HLR Internet SGSN GGSN GPRS lisää verkkoon uusia elemenRejä • Serving GPRS Support Node (SGSN) on rei&&n – Seuraa vies&men sijain&a – VäliRää liikenteen – Hoitaa laskutuksen – Tunnistaa vies&men ja toteuRaa muut hallintatoiminnot • Gateway GPRS Support Node (GGSN) – VäliRää liikenteen muihin verkkoihin • Esim. IP-‐pakeReja Interne&in – Allokoi vies&melle IP osoiReen • Pysyy vakiona vaikka käyRäjän sijain& muuRuu • GPRS käyRää GSM:n VLR ja HLR-‐rekistereitä Mobile and IP: Rou&ng in GPRS (example) Data flow PDP Context: IMSI, P-IMSI Layer protocol Addressing: SGSN MS GGSN Internet SIM IP IP SNDCP protocol TLLI (ß P-IMSI,PDP-Context) GTP protocol TID (ß IMSI, NSAPI) IP Overview_CellularMobileSystems.ppt IP IP Service (Server) 12 Liikkuvuuden hallinta GPRS-‐järjestelmässä • HLR ja VLR rekistereitä käyRäen kuten GSM järjestelmässä • Koska GPRS ei ole samalla tavalla piirikytkentäinen kuin puhelut, vaihto on yksinkertaisempi • Vies&n pyytää solun vaihtoa ja liikenne rei&tetään uuteen soluun EDGE • Enhanced Data rate for GSM Evolu&on • Kuten GPRS, muRa uudella modulaa&olla lisää nopeuRa – 40 kbps -‐> 115 kbps – SaavuteRavat siirtonopeudet riippuvat &lanteesta (muut käyRäjät, tukiaseman etäisyys, jne) Modulaa&o muutos • 3 bi`ä per symboli yhden asemesta Overview_CellularMobileSystems.ppt 15 Passband Transmission (1) Kuinka suuri vaihemuunnos tehdään? (a) A binary signal. (b) Amplitude shift keying. (c) Frequency shift keying. (d) Phase shift keying. Computer Networks, Fifth Edition by Andrew Tanenbaum and David Wetherall, © Pearson Education-Prentice Hall, 2011 UMTS (3G) • Universal Mobile Telecommunica&ons System – Eli 3G • Tarjoaa lisää samaa kuin GSM/GPRS/EDGE • Tiedonsiirtoa 2 Mb/s tai enemmän • 144 kb/s realis&sempi arvio – Radiokaistan tehokkaampi hyödyntäminen UMTS piirikytkentäinen GERAN PSTN GMSC MSC, VLR MS BTS BSC HLR UTRAN pake`väliReinen Internet UE BS RNC SGSN GGSN UMTS RAN • UMTS määriRelee uuden radioverkon – Laajakaistaiseen CDMA:han pohjautuva UTRAN (Universal Terrestrial RAN) • 1885-‐2025 MHz (uplink) • 2110-‐2200 MHZ (downlink) – GSM/EDGE:n GERAN-‐verkko voi toimia rinnakkaises& UMTS:n kanssa • Muutama uusi komponen` ja termi – Radio Network Controller korvaa BSC:n – Base Sta&on korvaa BTS:n – User Equipment korvaa MS:n • Uusia ominaisuuksia – Suurempi siirtokapasitee` – Soluhengitys – Pehmeä tukiasemanvaihto UMTS radiorajapinta • CDMA, Code Division Mul&ple Access • Kaikki tukiasemat toimivat samalla taajuudella • Jokaisella käyRäjällä oma koodi • Oikein valitut koodit mahdollistavat useita samanaikaisia lähetyksiä samalla taajuudella • Yksi bi` koodataan useaksi symboliksi, jotka saman koodin omaava vastaanoRaja pystyy eroRamaan taustakohinasta UE Node B Node B RNC CN Kooda%u signaali = (alkuperäinen data) X (koodi) decoding: sisätulo koodatusta signaalista ja koodista 6-‐20 GSM vs. UMTS radiorajapinta Aikavälit (per puhelu) 0.2 MHz 5MHz GSM Kukin käyRäjä eri aikaan Kukin tukiasema eri taajuudella UMTS Kaikki yhtä aikaa samalla taajuudella Leveä kaista => suuri siirtonopeus (Nyquis&n kaava) CDMA koodaus/dekoodaus läheRäjä data bitit koodi d0 = 1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 aikaväli 1 -1 1 -1 aikaväli 1 1 -1 1 1 1 1 1 1 1 d1 = -1 1 1 1 Kanavan ulostulo Zi,m Zi,m= di.cm -1 -1 -1 aikaväli 0 -1 -1 -1 aikaväli 0 M Radiolähetys Di = Σ Zi,m.cm m=1 1 1 1 1 1 1 1 koodi vastaanoRaja -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 aikaväli 1 M 1 1 -1 -1 -1 -1 aikaväli 0 6: Wireless and Mobile Networks d0 = 1 d1 = -1 aikaväli 1 aikaväli 0 Vastaanotettu 6-‐22 CDMA: kahden läheRäjän tapaus LäheRäjät VastaanoRaja 1 CDMA – Mitä järkeä? • Symbolinopeus (chip rate) 3.84 Mchip/s • KäyteRävissä olevia koodeja 512 kpl, jos käytetään 512 symbolia yhden bi&n siirtoon – Tällöin siirtonopeus on 1.7 kbit/s (liian hidas jopa puheelle) • Suurempiin nopeuksiin päästään jos käytään pienempi määrä symboleja yhden bi&n siirtoon • • 256 kpl -‐> 5.51 kbit/s (ääni) 8 kpl -‐> 384 kbit/s • Tällöin samanaikaisen käyRäjien määrä pienenee – 8 symbolia/bi` => 7 käyRäjää – 256 symbolia/bi` => 255 käyRäjää • Systeemi säätelee automaa`ses& symbolien määrää käyRäjien määrän ja tarpeiden mukaan Overview_CellularMobileSystems.ppt 24 Soluhengitys • W-‐CDMA (Wideband Code Division Mul&ple Access) -‐teknologia korvaa yhden läheteRävän bi&n usealla symbolilla – LäheRäjällä ja vastaanoRajalla on sama koodi – Hajapspektritekniikka käyRää laajaa taajuuskaistaa • Muiden saman taajuuden käyRäjien liikenne on kuin taustakohinaa CDMA-‐liikenteelle – SNR-‐suhde vaikuRaa edelleenkin siirreRävän datan määrään (Shannon) – CDMA-‐tekniikoiden yhteydessä käytetään termia Signal to Interference Ra&o (SIR) • Tästä seuraa se, eRä CDMA:han perustuva solu pienenee, kun liikenteen määrä kasvaa – Käytetään termiä soluhengitys – CDMA pystyy käsiRelemään joustavas& suuremman määrän asiakkaita, muRa solun koko muuRuu liikenteen suhteessa Pehmeä tukiasemanvaihto • Soq Handover • Vies&men (UE) laajakaistainen hajaspektriradio pystyy olemaan yhteydessä useaan tukiasemaan samanaikaises& • Niinpä tukiasemanvaihdossa vies&n lisää yhden tukiaseman lisää vastaanoRajiin ja pudoRaa myöhemmin toisen • Lisäksi vies&n voi tämän tekniikan avulla käyRää useaa tukiasemaa &edonsiirron laadun (QoS) hallintaan HSDPA (3.5G) • High Speed Downlink Packet Access • 1.8, 3.6, 7.2 and 14.4 Mbit/s (42 & 84 Mbit/s with HSPA+) • Paluu aikajakoon – UMTS järjestelmässä, jokaisella käyRäjällä oma koodi – HSDPA:ssa usealla käyRäjällä sama koodi, muRa liikenne jaetaan eri ajanhetkiin) • JaeRu kanava (High Speed Downlink Shared Channel) • Järjestelmä aikatauluRaa jaetun kanavan käyRöä dynaamises& – Lisäksi parannuksia viiveissä, kuiRauksissa, modulaa&ossa, jne. 27 LTE • Vain pake`dataa (Voice -‐>VoIP) • Kaksitasoinen verkko (RNC taso poistunut) • Soveltaa monia uusia radio-‐ ja antennitekniikoita (OFDM, MIMO) • Ensimmäiset kokeiluverkot käytössä 28 LTE radiorajapinta • Koodinopeuden nostaminen UMTS verkoissa on hankalaa, koska eri reiRejä kulkeneet signaalit tulevat puhelimeen eri aikaan • LTE pojautuu OFDMA (Orthogonal Frequency-‐ Division Mul&ple Access) teknologiaan – Kokonaiskaista on jaeRu kapeisiin alikaistoihin – Useita alikaistoja käytetään samaan aikaan suuremman siirtonopeuden aikaansaamiseen – Eri käyRäjien siirtotarpeita ajoitetaan eri ajanhetkiin • Monitie-eteneminen 29 LTE esimerkkiverkko 30 New services with UMTS 3G-services utilises bigger speed and/or QoS Some services work in all networks Voice & SMS Typical average bitrate GSM 10-40 kbps Broadband in wide area Real-time IP multimedia Video telephony Multicasting Multitasking WEB browsing Corporate data access Streaming audio/video MMS picture / video xHTML browsing Application downloading xHTML browsing E-mail Presence/location GPRS 30-40 kbps EGPRS 80-160 kbps UMTS 384 kbps UMTS/HSDPA 1-2 Mbps L T E 16-‐150 Mbps Better network performance WiMAX on hieman WLANia muistuRava tapa pitkän matkan langaRomaan datasiirton (tällä hetkellä sen suosio näyRää heikolta) 31 Bluetooth • Käytössä laajasti kytkemään matkapuhelimia ja tietokoneita korvanappeihin, tulostimiin, näppäimistöihin, hiiriin, kelloihin jne. • Laaja soveltuvuus vaatii erittäin halpaa toteutusta (< 5$ chip). • Alhainen virrankulutus on myös keskeistä • BT LE versio tulossa erittäin alhaiseen virrankulutukseen • Aluksi pyrkimyksenä kaapeleiden poistaminen, nyt myös muita tavoitteita • Kantama noin 10 m • Siirtonopeus 1 Mbps (versiossa 2.0 2-3 Mbps) Bluetooth Arkkitehtuuri • Yksi isäntä, max 7 aktiivista orjaa (parked tilassa lisäksi 255 kpl) • Kaikki kommunikaatio isännän kautta • 2-N piconettiä voidaan yhdistää scatternetiksi Bluetooth protokollapino • Eri kerroksilla karkea yhteys vakioprotokollapinoon • Profiilit toteuttavat vertikaalisia kokonaistoimintoja (esim. korvanappiprofiili) Toiminta • Samalla 2.4 GHz kaistalla kuin WLAN • Myös muiden käyRämän kaistan hyödyntäminen pohjautuu taajuushyppelyyn – Hyppelee 1600 kertaa sekunnissa eri taajuuksille – Kaista jaeRu 79 kpl kanavia • Picone&n sisällä aikajako – Isännällä parilliset aikavälit, orjilla jaeRuna pariRomat • Data voidaan salata avaimella, jonka isäntä ja orja sopivat toisiinsa kytkeytyessään RFID • Halpoja, painamalla tehtyjä tageja, yleensä ilman omaa patteria • Toiminta pohjautuu tagien kykyyn heijastaa osa siihen kohdistuneesta lukijan signaalista takaisin • Lukija on älykäs, tagit yksinkertaisia • Tageissa voi kuitenkin olla yksinkertainen prosessori ja muistia • Lukijan tulee kyetä ottamaan vataan tagilta tuleva hyvin heikko signaali • NFC (Near field communication) teknologian odotetaan tekevän läpimurron matkapuhelimissa lähivuosina • Maksaminen ja muut sovellutukset EPC Gen 2 Architecture RFID architecture. EPC Gen 2 Physical Layer Reader and tag backscatter signals. Yhteenveto: Tulevaisuuden langaRomat järjestelmät • GSM → GPRS → EDGE → UMTS → 4G – Suurempia siirtonopeuksia, vähemmän viiveRä – Yhteensopivia aikaisempien sukupolvien kanssa – Piirikytkentäisestä äänen siirto -‐> ”all IP” • Paikallista langatonta kommunikaa&ota – Bluetooth (& WLAN) – NFC – Näiden yhteistoiminta matkapuhelinverkon kanssa luo uusia mahdollisuuksia Aiheesta lisää • Kurose & Ross – 6.2 CDMA (UMTS radiotoiminnalllisuus) – 6.4 Cellular internet access (arkkitehtuuri) – 6.7 Managing mobility in cellular networks • MuRa huomaa, eRä suurin osa luennon sisällöstä on kirjan ulkopuolelta 40 Ensi luennolla • Tele-‐ ja &etoverkon laskutus • Liiketoiminta verkkoympäristössä