Δίκτυα Υπολογιστών (Γ’ έτος, ΣΤ’ εξ)Διάλεξη #9: Ασύρματα & Κινητά δίκτυα.

Γαβαλάς Δαμιανόςdgavalas@aegean.grΕαρινό 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, ...

Τυπική εφαρμογή: συνθήκες κίνησης

ad ho

c

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

Κυψελωτά συστήματα (cellular systems)

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