Δίκτυα Υπολογιστών (Γ’ έτος, ΣΤ’ εξ)Διάλεξη #9: Ασύρματα & Κινητά δίκτυα.
Γαβαλάς Δαμιανός[email protected]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)
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)
Δύο σημαντικές (αλλά διαφορετικές) προκλήσεις Επίτευξη επικοινωνίας μέσω ασύρματης ζεύξης Διαχείριση κινητών χρηστών που αλλάζουν το σημείο
σύνδεσης στο δίκτυο
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 Δίκτυα 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, ...
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
Διασκέδαση, 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
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
performanceperformance
Pager• μόνο λήψη• πολύ μικρές οθόνες• απλά text μηνύματα
Κινητά τηλέφωνα• φωνή, δεδομένα• απλές οθόνες γραφικών
PDA• οθόνες γραφικών• αναγνώριση χαρακτήρων• απλό WWW
Palmtop• πολύ μικρά πληκτρολόγια• απλές εκδόσεις standard εφαρμογών
Laptop/Notebook• πλήρως λειτουργικά• standard εφαρμογές
Sensors,ενσωματωμένοιcontrollers
www.scatterweb.net
Συνέπειες της μεταφερσιμότητας συσκευών Κατανάλωση ενέργειας
Περιορισμένη υπολογιστική ισχύς, χαμηλής ποιότητας οθόνες, μικρός αποθηκευτικός χώρος
CPU: κατανάλωση ενέργειας ~ CV2f 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
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
Ιστορία των ασύρματων επικοινωνιών II 1928 πολλά πειράματα TV broadcast trials (across
Atlantic, color TV, TV news) 1933 Διαμόρφωση 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
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!) Διαγωνισμοί 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
cellular phones satellites wireless LANcordlessphones
1992:GSM
1994:DCS 1800
2001:IMT-2000
1987:CT1+
1982:Inmarsat-A
1992:Inmarsat-BInmarsat-M
1998:Iridium
1989:CT 2
1991:DECT 199x:
proprietary
1997:IEEE 802.11
1999:802.11b, Bluetooth
1988:Inmarsat-C
analogue
digital
1991:D-AMPS
1991:CDMA
1981:NMT 450
1986:NMT 900
1980:CT0
1984:CT1
1983:AMPS
1993:PDC
4G – fourth generation: πότε και πως;
2000:GPRS
2000:IEEE 802.11a
200?:Fourth Generation(Internet based)
Χρήστες ασύρματων τεχνολογιών παγκοσμίως (παλαιά πρόβλεψη 1998) # συνδρομητές κινητών τηλεφώνων σήμερα
υπερβαίνει # συνδρομητές σταθερών τηλεφώνων!
0
100
200
300
400
500
600
700
1996 1997 1998 1999 2000 2001
AmericasEuropeJapanotherstotal
Κινητά τηλέφωνα ανά 100 ανθρώπους το 1999
0 10 20 30 40 50 60
Finland
Sweden
Norway
Denmark
Italy
Luxemburg
Portugal
Austria
Ireland
Switzerland
Great Britain
Netherlands
France
Belgium
Spain
Greece
Germany
2005: 70-90% διείσδυση στην κεντρική Ευρώπη
Παγκόσμια αύξηση συνδρομητών κινητής τηλεφωνίας
0
200
400
600
800
1000
1200
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002
Su
bsc
rib
ers
[mil
lio
n]
Η καμπύλη αρχίζει και γίνεται πιο επίπεδη από το 2000 – 2004: 1.5 δις χρήστες
Συνδρομητές κινητής τηλεφωνίας ανά περιοχή (Ιούνιος 2002)
Asia Pacific; 36,9
Europe; 36,4
Americas (incl. USA/Canada);
22
Africa; 3,1
Middle East; 1,6
Στοιχεία ενός ασύρματου δικτύου
δικτυακήυποδομή
ασύρματοι κόμβοιlaptop, PDA, IP τηλέφωνοεκτελούν εφαρμογέςμπορεί 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 δίκτυοΠροωθεί πακέτα ανάμεσα στο σταθερό και το ασύρματο δίκτυο στην «περιοχή» του
π.χ., κεραίες κινητής τηλεφωνίας, 802.11 access points
Στοιχεία ενός ασύρματου δικτύου
δικτυακήυποδομή
ασύρματη ζεύξηΤυπικά συνδέει ασύρματους κόμβους σε base stationsΜπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε δίκτυα κορμού (διασύνδεση base stations) Η πρόσβαση στο κοινό (ασύρματο) κανάλι συντονίζεται από ένα πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης (MAC protocol) Διάφοροι ρυθμοί μετάδοσης, αποστάσεις μετάδοσης
384 Kbps384 Kbps
56 Kbps56 Kbps
54 Mbps54 Mbps
5-11 Mbps5-11 Mbps
1 Mbps1 Mbps
802.15
802.11b
802.11{a,g}
IS-95 CDMA, GSM
UMTS/WCDMA, CDMA2000
.11 p-to-p link
2G
3G
Indoor
10 – 30m
Outdoor
50 – 200m
Mid rangeoutdoor
200m – 4Km
Long rangeoutdoor
5Km – 20Km
Χαρακτηριστικά επιλεγμένων ασύρματων προτύπων
Στοιχεία ενός ασύρματου δικτύου
δικτυακήυποδομή
λειτουργίαΟ base station συνδέει τους κινητούς κόμβους στο σταθερό δίκτυοhandoff: οι κινητοί κόμβοι αλλάζουν τον base station που τους παρέχει πρόσβαση στο σταθερό δίκτυο
Ad-Hoc ασύρματα δίκτυα
Ad hoc δίκτυαδεν υπάρχουν base stationsΟι κόμβοι επικοινωνούν μέσω άλλων κόμβων που βρίσκονται στην περιοχή εμβέλειάς τουςΟι κόμβοι αυτο-οργανώνονται σε ένα (ad hoc) δίκτυο: παρέχουν και δρομολόγηση ανάμεσα σε κόμβους που βρίσκονται ο ένας εκτός της εμβέλειας του άλλου
Χαρακτηριστικά ασύρματων ζεύξεων
Διαφορές 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)
Διάδοση 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):
AB
C
Πρόβλημα κρυμμένου τερματικού (Hidden terminal problem)B, A «ακούν» ο ένας τον άλλοB, C «ακούν» ο ένας τον άλλοA, C δεν «ακούν» ο ένας τον άλλοΆρα οι A, C αγνοούν ότι δημιουργούν παρεμβολή στο B
A B C
A’s signalstrength
space
C’s signalstrength
Εξασθένηση σήματος:B, A «ακούν» ο ένας τον άλλοB, C «ακούν» ο ένας τον άλλοA, C δεν «ακούν» ο ένας τον άλλοκαι δημιουργούν παρεμβολή στο B
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 πρότυπα802.11b
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 πρόσβασηςΧρησιμοποιούν διαφορετικές τεχνικές διαμόρφωσης (modulation)Όλα χρησιμοποιούν base-stationsΤα 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
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 stationBSS 1
BSS 2
Internet
hub, switchή routerAP
AP
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)
AB
CA B C
A’s signalstrength
space
C’s signalstrength
IEEE 802.11 MAC πρωτόκολλο: CSMA/CA
802.11 αποστολέας1 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 εκλείψειΑν 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)
sender receiver
DIFS
data
SIFS
ACK
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-to-send (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
Αποφυγή συγκρούσεων: ανταλλαγή RTS-CTS
APA B
χρόνος
RTS(A)RTS(B)
RTS(A)
CTS(A) CTS(A)
DATA (A)
ACK(A) ACK(A)
reservation collision
αναβολή
framecontrol
durationaddress
1address
2address
4address
3payload CRC
2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4
seqcontrol
802.11 frame: διευθυνσιοδότηση
Address 2: MAC address
του ασύρματου κόμβου ή του AP
που εκπέμπει το frame
Address 1: MAC addressτου ασύρματου κόμβου ή του AP για τον οποίο προορίζεται 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)
Internetrouter
AP
H1 R1
AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr
address 1 address 2 address 3
802.11 frame
R1 MAC addr AP MAC addr
dest. address source address
802.3 frame(«παραδοσιακό» Ethernet frame)
802.11 frame: διευθυνσιοδότηση
framecontrol
durationaddress
1address
2address
4address
3payload CRC
2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4
seqcontrol
TypeFromAP
SubtypeToAP
More frag
WEPMoredata
Powermgt
Retry RsvdProtocolversion
2 2 4 1 1 1 1 1 11 1
802.11 frame: διευθυνσιοδότηση
διάρκεια του reserved transmission time (RTS/CTS)
frame Α/Α #(για αξιόπιστο ARQ)
Τύπος frame(RTS, CTS, ACK, data)
hub or switch
AP 2
AP 1
H1 BBS 2
BBS 1
802.11: κινητικότητα μέσα στο ίδιο υποδίκτυο (subnet)
router
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
Mradius ofcoverage
S
SS
P
P
P
P
M
S
Master device
Slave device
Parked device (inactive)P
802.15: Δίκτυα προσωπικής περιοχής (personal area networks) Διάμετρος < 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
Mobile Switching
Center
Δημόσιο τηλεφωνικό δίκτυο καιInternet
Mobile Switching
Center
συνδέει κυψέλες σε ένα δίκτυοευρείας περιοχής διαχειρίζεται την εγκατάστασησύνδεσης (call setup) διαχειρίζεται την κινητικότητασυσκευών
MSC
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
κυψέλη (cell)
σταθερό δίκτυο
Στοιχεία αρχιτεκτονικής ενός κυψελωτού δικτύου (cellular network)
Στοιχεία αρχιτεκτονικής ενός κυψελωτούδικτύου (cellular network)
correspondent
MSC
MSC
MSC MSC
MSC
Δημόσιο τηλεφωνικό δίκτυο καιInternet
Διαφορετικά κυψελωτά δίκτυα,που λειτουργούν από διαφορετικούς τηλεπικοινωνιακούς παρόχους
Διαμοίραση συχνοτήτων σε ένα κυψελωτό δίκτυο τηλεφωνίας
F
Α
E
D
G
Β
C
F
Α
E
D
G
Β
C
F
Α
E
D
G
Β
C
F
Α
E
D
G
Β
C F
Α
E
D
G
Β
C
Κυψελώτα συστήματα: διαχείριση φάσματος συχνοτήτωνΔύο 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)
frequencybands
time slots
Κυψελώτα συστήματα: σύνοψη
2G συστήματα: κανάλια φωνής IS-136 TDMA: συνδυασμός FDMA/TDMA (Βόρειος
America) GSM (global system for mobile communications):
συνδυασμός FDMA/TDMA Διατηρεί 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)
IS-136 GSM IS-95GPRS EDGECDMA-2000
UMTS
TDMA/FDMA
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 Δεδομένα 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
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
1G(<1Kbps
1 Kbps
10 Kbps
100 Kbps
2 Mbps
1 Mbps
Ρυθμοί μετάδοσης
1980 1990 2000 2010
2G(9.6Kbps)
2.5G(10-171Kbps)
3G(144Kbps - 2Mbps)
Έτη
4-5G(10 Mbps+)
Αναλογικά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας
GSM
GPRS
EDGE, UMTS
Διαχείριση 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
Public switched telephonenetwork
mobileuser
homeMobile
Switching Center
HLR home network
visitednetwork
correspondent
Mobile Switching
Center
VLR
GSM: έμμεση δρομολόγηση στο κινητό
1 Η κλήση δρομολογείται στο home network
2
Το home MSC ζητάει από τη HLR το roaming number τουκινητού στο visited network
3
Το home MSC εγκαθιστά το 2ο κομμάτιτης κλήσης στο MSC του visited network
4
Το MSC στο visited network ολοκληρώνειτην εγκατάσταση της κλήσηςμέσω του base station στο κινητό
Mobile Switching
Center
VLR
old BSSnew BSS
old routing
newrouting
GSM: handoff με κοινό MSC
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
Mobile Switching
Center
VLR
old BSS
1
3
24
5 6
78
GSM: handoff με κοινό MSC
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
home network
Home MSC
PSTN
correspondent
MSC
anchor MSC
MSCMSC
(a) before handoff
GSM: handoff με κοινό 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
home network
Home MSC
PSTN
correspondent
MSC
anchor MSC
MSCMSC
(b) after handoff
GSM: handoff ανάμεσα σε MSCs
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