Trådløs kommunikasjon

Transkript

1 Trådløs kommunikasjon Foreleser: Kjell Åge Bringsrud kjellb 2/18/2008 inf3190 1

2 Mange typer trådløst Mobiltelefoni Satelitter Geostasjonære Lavbane GPRS UMTS Trådløs Ethernet - IEEE Bare fantasien (og noen få fysiske lover) setter grenser: Ad-hoc eller spontane nettverk 2/18/2008 inf3190 2

3 Growth of Wireless and Broadband Internet 2/18/2008 inf3190 3

4 Utstyr 2/18/2008 inf3190 4

5 Explosion of New Internet Appliances 2/18/2008 inf3190 5

6 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 2/18/2008 inf3190 6

7 Heterogeneous Networks Low-tier Satellite Regional Area High-tier Wide Area High Mobility Local Area Low Mobility Seamless mobility across diverse overlay networks software agents for heterogeneity management IP as the common denominator? 2/18/2008 inf3190 7

8 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 2/18/2008 inf3190 8

9 Så litt mer konkret... 2/18/2008 inf3190 9

10 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.) 2/18/2008 inf

11 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) 2/18/2008 inf

12 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 2/18/2008 inf

13 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) 2/18/2008 inf

14 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 2/18/2008 inf

15 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 2/18/2008 inf

16 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 2/18/2008 inf

17 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 2/18/2008 inf

18 Aksesspunkter og celler HvaskjernårM flytterseg? 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 2/18/2008 inf

19 Bluetooth En global standard for trådløs konnektivitet 2/18/2008 inf

20 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. 2/18/2008 inf

21 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. 2/18/2008 inf

22 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 2/18/2008 inf

23 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 2/18/2008 inf

24 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/s total 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) 2/18/2008 inf

25 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 2/18/2008 inf M S S sb S

26 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 2/18/2008 inf

27 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 2/18/2008 inf

28 Blandet link eksempel MASTER 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 2/18/2008 inf

29 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 2/18/2008 inf

30 Automatisk Retransmisjon MASTER A B B X C SLAVE 1 F G H SLAVE 2 Z Z NAK ACK 2/18/2008 inf

31 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 - - 2/18/2008 inf

32 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 2/18/2008 inf

33 IEEE Trådløs MAN 2/18/2008 inf

34 2/18/2008 inf

35 Skille mellom: Fysiske Lag MAC Lag QoS 2/18/2008 inf

36 Funksjoner: 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. 2/18/2008 inf

37 Mange del-standarder: 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 /18/2008 inf

38 Fysiske laget MAC laget QoS 2/18/2008 inf

39 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 2/18/2008 inf

40 Tids-Delt Duplex overføring (TDD) 2/18/2008 inf

41 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 2/18/2008 inf

42 Frekvens-Delt Duplex overføring (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. 2/18/2008 inf

43 FDD TID Kanal-1 Kanal-2 Kanal-3 Kanal-4 Channel-5 Kanal-5 Channel-6 Kanal-6 Channel-7 Kanal-7 Channel-8 Kanal-8 Channel-9 Kanal-9 FREKVENS 2/18/2008 inf

44 Fysiske laget MAC Laget QoS 2/18/2008 inf

45 Media Acces Control (MAC) 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). 2/18/2008 inf

46 FDD burst innramming 2/18/2008 inf

47 Opplink intervaller 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. 2/18/2008 inf

48 Unicast Polling BS Poll(UL-MAP) Alloc(UL-MAP) SS Request Data 1. BS allokerer plass til SSen i opplink del-rammen. 2. SS bruker den tildelte plassen til å sende en båndbreddeforspørsel (bw request). 3. BS tildeler den ønskede plassen for SSen (hvis tilgjengelig). 4. SS bruker tildelt plass for å sende data. 2/18/2008 inf

49 Fysiske lag MAC Laget QoS 2/18/2008 inf

50 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 2/18/2008 inf

51 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. 2/18/2008 inf

52 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 ) 2/18/2008 inf