Mange typer trådløst. Utstyr. Trådløs kommunikasjon. Growth of Wireless and Broadband Internet

Transkript

1 Trådløs kommunikasjon Mange typer trådløst Foreleser: Kjell Åge Bringsrud kjellb Mobiltelefoni GPRS UMTS Satelitter Geostasjonære Lavbane Trådløs Ethernet - IEEE Bare fantasien (og noen få fysiske lover) setter grenser: Ad-hoc eller spontane nettverk inf inf Growth of Wireless and Broadband Internet Utstyr inf inf

2 Explosion of New Internet Appliances Computing View of the Future Information Systems The most profound technologies are those that disappear. They weave themselves into the fabric of everyday life until they are indistinguishable from it... the idea of a personal computer itself is misplaced... the vision of laptop machines, dynabooks and knowledge navigators is only a transitional step... a new way of thinking about computers, one that takes into account the human world and allows the computers themselves to vanish into the background. Mark Weiser (Chief Technologist, Xerox PARC) Scientific American, September1991 inf inf Heterogeneous Networks High-tier Wide Area Low-tier High Mobility Satellite Regional Area Local Area Low Mobility Seamless mobility across diverse overlay networks software agents for heterogeneity management IP as the common denominator? inf Location-dependent Information Location affects configuration parameters DNS, timezone, printer etc. Location affects answer to user queries e.g. where is the nearest printer More complex location-dependent queries e.g. where is the nearest taxi Privacy concerns due to location tracking Changing context small movements may cause large changes caching may become ineffective dynamic transfer to nearest server for a service Localization inf

3 Så litt mer konkret... Trådløst Ethernet IEEE Tre overføringsmetoder Spredt spektrum (to typer) Diffus infrarød Avstand: 5 cm til 5 km Spredt spektrum kan sendes i alle retninger eller konsentreres i en bestemt retning Maksimum tillatt sendestyrke, derfor går bølgene lengst når de er rettet (vi har målt opp til 5 km.) inf inf Spredt spektrum Sprer signalet over et (stort) frekvensområde Signalet er skjult i dette området Tåler mye støy (interferens fra annet utstyr) To hoved-teknikker: Frekvens hopping: Sender (og mottaker) hopper rundt i frekvensområdet og sender noen bit hvert sted Direkte sekvens: hvert bit i rammen representert ved flere bit i det fysiske signalet (OR-er med random sekvens) Diffus infrarød ( i IEEE ) Millimeter (og kortere) bølger Som lys trenger de ikke gjennom vegger Diffus: Reflekteres av vegger mm. Behøver derfor ikke direkte synslinje inf inf

4 Trådløs Ethernet Ethernet, Men 1: Når både A og C sender til B blir det kollisjon som ingen av dem oppdager Trådløs Ethernet Men 2: Hvis B hører at C sender, må B da ti stille? Kan B sende (til A) samtidig som C sender (til D)? A B C A og C ser ikke hverandre (skjulte noder) A B C D inf inf Collison Avoidance Multiple Access with Collison Avoidance (MA/CA) 1. En avsender spør en mottaker om å få lov å sende en viss stund (sendelengden) 2. Mottaker svarer tilbake til avsenderen: Klart til å sende Alle som hører en Klart til å sende vet de er nær mottakeren, og må ikke sende selv i dette tidsrommet Alle som bare hørte forespørselen om å sende (men ikke svaret) kan gjerne sende selv Kollisjon og retransmisjon Når to sendeforespørsler kolliderer vil mottaker ikke skjønne meldingen og gir ikke noe svar Nå det ikke kommer noe svar venter sender en stund før den sender en ny forespørsel (på samme måte som i vanlig Ethernet) Alle datapakker kvitteres (ved ACK-melding) Kommer det ikke noen ACK retransmitteres pakken inf inf

5 Aksesspunkter og celler A, B og C er aksesspunkter M (mobil) sender Probe -pakke (til alle) A svarer at den eksisterer med å sende Probe Response pakke til M M godtar A som aksesspunkt og svarer til A: Association Request A besegler forbindelsen ved å svare Association Response til M Aksesspunkter og celler Hva skjer når M flytter seg? M sender ut nye Probe pakker når signalet fra A blir svakt (kalles active scanning ) Ny forbindelse opprettes så med B M A B C Distribusjonsnett M A B M C Distribusjonsnett inf inf Bluetooth En global standard for trådløs konnektivitet Hvem er Bluetooth (Blåtann) Harald Blåtand Bluetooth II: Konge av Danmark Sønn av Gorm den Gamle (Konge av Danmark) og Thyra Danebod (datter av kong Ethelred av England) Dette er en av to runestener som er reist i hans hovedstad Jelling (sentrale Jylland) - Harald kontrollerte Danmark og Norge I begynnelsen var Bluetooth bare et prosjekt-navn Nå er Bluetooth det offisielle navnet på teknologien. inf inf

6 IEEE Den første standarden til IEEE Working Group for Wireless Personal Area Networks (WPANs) baserer seg på Bluetooth Special Interest Group (SIG) v1.0 specifikasjonen. inf Hva er Bluetooth? Teknisk Universelt radio-grensesnitt for ad hoc, trådløs konnektivitet Data-forbindelse via kort-distanse (10m) ad hoc nettverk som benytter det lisens-frie 2.45 GHz (ISM) band Lavkost RF moduler Lavt strømforbruk Tale- og data-overføring Anvendelse hovedsakelig for alle portable innretninger inf Erstatning for kabel PC tilbehør Trådløs mus og tastatur Skriver-forbindelse Forbindelse til palms og modem Tale-anvendelser Trådløst headset Handsfree bil-sett Enhver mobiltelefon Kan benyttes i enhver bil inf Forbindelses-parametere Tale-link synkron Forover feilkontroll (FEC) (FEC) CVSD CVSD tale-koding 64kBit/s GHz, GHz, ISM ISM band band (or (or 23) 23) RF RF kanaler kanaler Bærebølge-skille 1 MHz MHz G-FSK G-FSK modulasjon TDD TDD Frekvens-hopping hops/s hops/s (625 (625 μs μs intervall) 1 Mbit/s Mbit/stotal total datarate Data-link asynkron rask rask kvittering max. max. datarater: 433,9 433,9 kbit/s kbit/s (symmetrisk) 723,2 723,2 // 57,6 57,6 kbit/s kbit/s (asymmetrisk) inf

7 Nett-topologi Piconet 2 eller flere Bluetooth enheter utgjør et piconet Enheter som er bundet sammen kan være master eller slave master kan samtidig knytte seg til maks. 7 slaver pr. piconet En spesifikk hopp-sekvens som bruker alle 79 RF kanalene brukes for forbindelsen (logisk kanal) Ved etableringen av et piconet, gir master sin klokke- og enhets-id til slaven. Unikt hopping-mønster for hvert piconet Alle enheter i et piconet hopper sammen Hvert piconet har en maksimum total datarate på 1 Mbit/s Ikke-piconetenhetereri standby inf M S sb S S Nett-topologi Scatternet 2 eller flere piconet danner et scatternet Høy-kapasitets system 10 piconet innen samme rekkevidde minsker dataraten med omtrent 10% Bluetooth enheter kan dele forskjellige piconet M S P sb S S P P sb M inf S Master FH/TDD kanal En Bluetooth kanal representeres ved en pseudo-random hopping-sekvens gjennom de 79 RF kanalene til 2,45 GHz båndet Tidsdelt duplex (TDD) overføring brukes innen en Bluetooth kanal t MASTER SLAVE 1 SLAVE 2 Blandet link eksempel SCO ACL SCO ACL SCO SCO ACL Slave f(k) f(k+1) f(k+2) 625 μs inf t SCO: Synchronous Connection- * ACL: Asynchronous Connection- Oriented link Less link - punkt-til-punkt mellom master og - punkt-til-multipunkt mellom en eneste slave master og alle slaver * bruker reserverte tidsluker (slots) * bruker gjenværende tidsluker * kan sees på som en linjesvitsjet * pakkesvitsjet forbindelse forbindelse * brukes for data * hovedsakelig brukt for tale inf

8 Robust Operasjon Rask frekvens-hopping for å sikre god beskyttelse mot interferense Frekvens-kanaler kan være okkupert av: Andre applikasjoner som bruker det samme frekvensområdet Mikrobølge-ovner, baby monitorer, garasjedør åpnere,... Andre Bluetooth linker Datapakker kan mistes fra tid til annen, når hoppe-sekvensen velger en opptatt kanal Kan redusere talekvaliteten på synkrone kanaler (FEC beskyttet) Minsker data-raten i asynkrone kanaler (beskyttet med rask kvittering) Mikrobølge-ovn Automatisk Retransmisjon MASTER SLAVE 1 SLAVE 2 A B B X C F G H Z Z Bluetooth linker (hopping) Baby monitor NAK ACK Eksempel: Spektrum for ISM båndet inf inf Bluetooth Adressering Funksjonell Oversikt Bluetooth enhets-adresse 48 bit Unik adresse verden over for enhver Bluetooth enhet Aktiv medlem adresse 3 bit Identifiserer de 7 slavene i et piconet Parkert medlem adresse 8 bit Skiller slaver i parkert modus - - Standby Venter på å slutte seg til et piconet Forespørsel Spørre etter enheter å knytte seg til Tilkople (page) Kople til en bestemt enhet Oppkoplet Aktiv på et piconet (master eller slave) Parkert/Hold Oppkoplet tilstand med lavt strømforbruk Unconnected Standby Connecting States Active States Low Power States Detach Transmit data AMA Releases AMA Address Inquiry T typical=2 ms PARK PMA Standby T typical=2s Connected AMA Page T typical=0.6s T typical=2 ms HOLD AMA inf inf

9 Lavt strømforbruk Batteri levetid IEEE Trådløs MAN ( Estimatene nedenfor er beregnet med 600 mah battery, strømmen vil variere med implementasjonen) Standby strøm < 0.3 ma 3 måneder Tale modus 10 ma 60 timer Data modus, gjennomsnittelig 6 ma (20% utnyttelse) 100 timer Lav-energi arkitektur Hold/Parkert modus 60 µa Enheter som er tilkoplet, men som ikke deltar Enheter kan delta i løpet av 2 ms 1 års levetid for batteriet inf inf Skille mellom: Fysiske Lag MAC Lag QoS inf inf

10 Funksjoner: Mange del-standarder: Mål: Sørge for høyhastighets Internet tilgang for abonnenter hjemme og i foretak, uten kabler. Base stasjoner (BS) kan håndtere tusener av abonnentstasjoner (subscriber stations; SS) Aksess-kontroll forhindrer kollisjoner. Understøtter: Tradisjonelle taleorienterte telefonsentraler Tale over IP TCP/IP Aplikasjoner med ulike QoS krav. inf standards: (10-66 GHz, line-of-sight, up to 134Mbit/s) (minimizing interference between coexisting WMANs.) a (2-11 Ghz, Mesh, non-line-ofsigth) b (5-6 Ghz) c (detailed system profiles) P802.16e (Mobile Wireless MAN) Vi vil fokusere på inf Adaptive PHY Fysiske laget MAC laget QoS inf inf

11 Baud Rates & Channel Size (10-66 GHz) Fysiske laget (1) Burst single-carrier modulasjon Tillater bruk av retningsbestemte antenner. Tillater bruk av to forskjellige duplex overførings-metoder: Frekvens-Delt Duplex overføring (FDD) Tids-Delt Duplex overføring (TDD) Understøtter både full og halv duplex stasjoner inf inf Tids-Delt Duplex overføring (TDD) Tidsluker Bruker både TDM (Tids-Delt Multipleksing) og TDMA (Tids-Delt Multiple Aksess) Hva er forskjellen? Ikke mye, men hvert TDMA burst har et preamble foran seg TDM TDMA inf inf

12 Frekvens-Delt Duplex overføring (FDD) FDD Frekvens-spektret deles opp i unike frekvensbånd eller kanaler. Disse kanalene tilordnes brukere på forespørsel. Flere brukere kan ikke dele en kanal. Brukere tildeles en kanal som et par av frekvenser (fram- og tilbake-kanaler) FDD krever RF filtrering for å redusere interferens mellom tilstøtende kanaler. TID Kanal-1 Kanal-2 Kanal-3 Kanal-4 Channel-5 Kanal-5 Channel-6 Kanal-6 FREKVENS Channel-7 Kanal-7 Channel-8 Kanal-8 Channel-9 Kanal-9 inf inf MAC: Overview Fysiske laget MAC Laget QoS Point-to-Multipoint Metropolitan Area Network Connection-oriented Supports difficult user environments High bandwidth, hundreds of users per channel Continuous and burst traffic Very efficient use of spectrum Protocol-Independent core (ATM, IP, Ethernet, ) Flexible QoS offerings Supports multiple PHYs inf inf

13 MAC PDU Transmission MAC PDU format inf inf Media Acces Control (MAC) FDD burst innramming Forbindelses-orientert Forbindelses-identifikator (Connection ID; CID), Tjenesteflyter (Service Flows; FS) Kanal-tilgang: UL-MAP Definerer opplink kanal-tilgang Definerer opplink data burst profiler DL-MAP Definerer nedlink data burst profiler UL-MAP and DL-MAP overføres begge i begynnelsen av hver nedlink del-ramme (FDD and TDD). inf inf

14 Downlink transmissions Opplink intervaller Two kinds of bursts: TDM and TDMA All bursts are identified by a DIUC Downlink Interval Usage Each terminal listens to all bursts except when told to transmit Each burst may contain data for several terminals Initielle vedlikeholds-muligheter Rangering Bestemme nettverks-forsinkelse og be om sendestyrke eller profil forandringer. Kollisjoner kan forekomme i dette intervallet Forespørsel-muligheter SSer ber om båndbredde som svar på polling fra BS. Kollisjoner kan også forekomme i dette intervallet. Data tildelings-periode SSer overfører data bursts i de intervallene som tilbys av BS. Transisjons-gap mellom data intervaller av synkroniseringsårsaker. inf inf Unicast Polling BS Poll(UL-MAP) SS 1. BS allokerer plass til SSen i opplink del-rammen. Alloc(UL-MAP) Request Data 2. SS bruker den tildelte plassen til å sende en båndbreddeforspørsel (bw request). Fysiske lag MAC Laget QoS 3. BS tildeler den ønskede plassen for SSen (hvis tilgjengelig). 4. SS bruker tildelt plass for å sende data. inf inf

15 QoS mekanismer Klassifikasjon Mapping fra MAC SDU felter (f.eks. destinasjons IP adresse eller TOS felt) til CID og SFID Tildeling (Scheduling) Nedlink tildelingsmodul Enkel, alle køer i BS Opplink tildelingsmodul Køer er distribuert blandt SSer. Kø-tilstander og QoS krav fremskaffes gjennom bånbredde-forespørsler. Algoritmer er ikke definert i standarden Stikkord vedrørende a utvidelsen Maskenett topologi Fri sikt kreves ikke 2-11 GHz ARQ støtte (Automatic repeat request) Mer QoS signallering Dynamisk frekvens-valg, for å unngå interferens med WLAN. inf inf Roaming/Mobility Models Ad Hoc Networks Disaster recovery Battlefield Smart office Etc. inf Rapidly deployable infrastructure Wireless: cabling impractical Ad-Hoc: no advance planning Backbone network: wireless IP routers Network of access devices Wireless: untethered Ad-hoc: random deployment Edge network: Sensor networks, Personal Area Networks (PANs), etc. inf

16 Oppsummering, trådløse nett Tekniske attributter: Mobilitet, portabilitet Dekningsgrad Frekvensområde Frekvenshopping Tidsdelt dupleks (TDD) Interferens Innramming Adressering Strømforbruk QoS Sikkerhet Virkemåte IEEE standarder: Trådløst Ethernet (WLAN; IEEE ) Bluetooth (WPAN; IEEE ) Trådløst MAN (WMAN; IEEE ) inf