Trådløse nett. Foreleser: Kjell Åge Bringsrud kjellb 4/21/2004 1

Transkript

1 Trådløse nett Foreleser: Kjell Åge Bringsrud kjellb 4/21/2004 1

2 Trådløs Mobiltelefoni Satelitter Geostasjonære Lavbane GPRS UMTS Trådløs Ethernet - IEEE Bare fantasien (og noen få fysiske lover) setter grenser: Ad-hoc eller spontane nettverk 4/21/2004 2

3 IEEE 802 The LAN/MAN Standards Committee 4/21/2004 3

4 Roaming/Mobility Models 4/21/2004 4

5 Heterogeneous Networks Low-tier Satellite Regional Area High-tier Wide Area High Mobility Local Area Low Mobility Seamless mobility across diverse overlay networks vertical hand-offs software agents for heterogeneity management IP as the common denominator? 4/21/2004 5

6 Ad Hoc Networks Disaster recovery Battlefield Smart office Etc. 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. 4/21/2004 6

7 Så litt mer konkret... 4/21/2004 7

8 Trådløs 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.) 4/21/2004 8

9 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) 4/21/2004 9

10 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 4/21/

11 Trådløs Ethernet Ethernet, Men 1: Når både A og C sender til B blir det kollisjon som ingen av dem oppdager A B C A og C ser ikke hverandre (skjulte noder) 4/21/

12 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 D 4/21/

13 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 4/21/

14 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 4/21/

15 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 M Distribusjonsnett A B C 4/21/

16 Aksesspunkter og celler Hva skjer nå 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 M C Distribusjonsnett 4/21/

17 Bluetooth En global standard for trådløs konnektivitet 4/21/

18 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. 4/21/

19 Hva er Bluetooth? Prosjekt I februar 1998 dannet Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba and Intel the Bluetooth Special Interest Group (SIG). I desember 1999 ble denne gruppen utvidet med Microsoft, Lucent, 3Com and Motorola. En rekke andre firmaer og institusjoner har siden sluttet seg til denne SIG-en og derved tatt til seg teknologien Målet for prosjektet: Felles Bluetooth spesifikasjon (de facto standard) Sertifisering av Bluetooth produkter Null-kost lisensavtale for alle interesserte parter 4/21/

20 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. 4/21/

21 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 4/21/

22 PC tilbehør Erstatning for kabel 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 4/21/

23 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) 4/21/

24 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-piconet enheter er i standby 4/21/ M S S sb S

25 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 S M P M sb P S P S sb S 4/21/

26 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 f(k) f(k+1) f(k+2) Slave t 625 µs 4/21/

27 MASTER Blandet link eksempel SCO ACL SCO ACL SCO SCO ACL SLAVE 1 SLAVE 2 SCO: Synchronous Connection- Oriented link - punkt-til-punkt mellom master og en eneste slave * bruker reserverte tidsluker (slots) * kan sees på som en linjesvitsjet forbindelse * hovedsakelig brukt for tale * ACL: Asynchronous Connection- Less link - punkt-til-multipunkt mellom master og alle slaver * bruker gjenværende tidsluker * pakkesvitsjet forbindelse * brukes for data 4/21/

28 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 Bluetooth linker (hopping) Baby monitor Eksempel: Spektrum for ISM båndet 4/21/

29 Automatisk Retransmisjon MASTER A B B X C SLAVE 1 F G H SLAVE 2 Z Z NAK ACK 4/21/

30 Bluetooth Adressering 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 - - 4/21/

31 Funksjonell Oversikt 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 4/21/

32 Batteri levetid Lavt strømforbruk ( 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 4/21/

33 P802.16: Trådløst WAN 4/21/

34 Point-to-Multipoint Wireless MAN: not a LAN 4/21/

35 Adaptive PHY 4/21/

36 Baud Rates & Channel Size (10-66 GHz) 4/21/

37 TDD Frame (10-66 GHz) 4/21/

38 MAC: Overview 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 4/21/

39 MAC PDU Transmission 4/21/

40 MAC PDU format 4/21/

41 Downlink transmissions 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 4/21/

42 Uplink Transmissions Invited transmissions Transmissions in contention slots Bandwidth requests Contention resolved using truncated exponential backoff Transmissions in initial ranging slots Ranging Requests (RNG-REQ) Contention resolved using truncated exponential backoff All transmissions have synchronization preamble Ideally, all data from a single SS is concatenated into a single PHY burst 4/21/

43 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 ) 4/21/