1. No category

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