Trådløs kommunikasjon Mange typer trådløst Foreleser: Kjell Åge Bringsrud E-mail: kjellb Mobiltelefoni GPRS UMTS Satelitter Geostasjonære Lavbane Trådløs Ethernet - IEEE 802.11... Bare fantasien (og noen få fysiske lover) setter grenser: Ad-hoc eller spontane nettverk inf3190 1 inf3190 2 Growth of Wireless and Broadband Internet Utstyr inf3190 3 inf3190 4 1
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 inf3190 5 inf3190 6 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? inf3190 7 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 inf3190 8 2
Så litt mer konkret... Trådløst Ethernet IEEE 802.11 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.) inf3190 9 inf3190 10 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 802.11) Millimeter (og kortere) bølger Som lys trenger de ikke gjennom vegger Diffus: Reflekteres av vegger mm. Behøver derfor ikke direkte synslinje inf3190 11 inf3190 12 3
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 inf3190 13 inf3190 14 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 inf3190 15 inf3190 16 4
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 inf3190 17 inf3190 18 Bluetooth En global standard for trådløs konnektivitet Hvem er Bluetooth (Blåtann) Harald Blåtand Bluetooth II: Konge av Danmark 940-981. - 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. inf3190 19 inf3190 20 5
IEEE 802.15 Den første standarden til IEEE 802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks (WPANs) baserer seg på Bluetooth Special Interest Group (SIG) v1.0 specifikasjonen. inf3190 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 inf3190 22 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 inf3190 23 Forbindelses-parametere Tale-link synkron Forover feilkontroll (FEC) (FEC) CVSD CVSD tale-koding 64kBit/s 2.4 2.4 GHz, GHz, ISM ISM band band 79 79 (or (or 23) 23) RF RF kanaler kanaler Bærebølge-skille 1 MHz MHz G-FSK G-FSK modulasjon TDD TDD Frekvens-hopping 1600 1600 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) inf3190 24 6
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 inf3190 25 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 inf3190 26 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 inf3190 27 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 inf3190 28 7
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 1 6 11 16 inf3190 29 inf3190 30 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 inf3190 31 inf3190 32 8
Lavt strømforbruk Batteri levetid IEEE 802.16 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 inf3190 33 inf3190 34 Skille mellom: Fysiske Lag MAC Lag QoS inf3190 35 inf3190 36 9
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. inf3190 37 802.16 standards: 802.16.1 (10-66 GHz, line-of-sight, up to 134Mbit/s) 802.16.2 (minimizing interference between coexisting WMANs.) 802.16a (2-11 Ghz, Mesh, non-line-ofsigth) 802.16b (5-6 Ghz) 802.16c (detailed system profiles) P802.16e (Mobile Wireless MAN) Vi vil fokusere på 802.16.1 inf3190 38 Adaptive PHY Fysiske laget MAC laget QoS inf3190 39 inf3190 40 10
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 inf3190 41 inf3190 42 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 inf3190 43 inf3190 44 11
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 inf3190 45 inf3190 46 802.16 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 802.16 PHYs inf3190 47 inf3190 48 12
MAC PDU Transmission MAC PDU format inf3190 49 inf3190 50 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). inf3190 51 inf3190 52 13
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. inf3190 53 inf3190 54 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. inf3190 55 inf3190 56 14
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 802.16a 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. inf3190 57 inf3190 58 Roaming/Mobility Models Ad Hoc Networks Disaster recovery Battlefield Smart office Etc. inf3190 59 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. inf3190 60 15
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 802.11) Bluetooth (WPAN; IEEE 802.15) Trådløst MAN (WMAN; IEEE 802.16) inf3190 61 16