Γαβαλάς Δαμιανός dgavalas@aegean.gr Δίκτυα Υπολογιστών (Γ’ έτος, ΣΤ’ εξ) Διάλεξη #9: Ασύρματα & Κινητά δίκτυα. Γαβαλάς Δαμιανός dgavalas@aegean.gr Εαρινό εξάμηνο

Περίληψη διάλεξης Ασύρματες επικοινωνίες Ασύρματες ζεύξεις: χωρητικότητα, αποστάσεις μειονεκτήματα καναλιών CDMA IEEE 802.11 (“wi-fi”) πως το CSMA/CA αντανακλά τα χαρακτηριστικά των ασύρματων καναλιών Κυψελωτή πρόσβαση αρχιτεκτονική πρότυπα (π.χ., GSM, CDMA-2000, UMTS)

Ασύρματες επικοινωνίες (wireless communications)

Εξέλιξη των υπολογιστών στις δεκαετίες που έρχονται Οι Η/Υ είναι ενσωματωμένοι (integrated) μικροί, φθηνοί, μεταφέρσιμοι (portable), αντικαταστάσιμοι Η τεχνολογία προσφέρει το υπόβαθρο για Η/Υ που: προσαρμόζονται στο περιβάλλον (“location awareness”) αναγνωρίζουν τη θέση του χρήστη και αντιδρούν αντίστοιχα Εξέλιξη στην τεχνολογία που επιτρέπει: περισσότερη υπολογιστική ισχύ σε μικρότερες συσκευές επίπεδες, ελαφριές οθόνες με μικρή κατανάλωση ενέργειας μεγαλύτερο εύρος ζώνης Πολλαπλές ασύρματες διεπαφές: ασύρματα τοπικά δίκτυα (wireless LANs), ασύρματα δίκτυα ευρείας περιοχής (wireless WANs) Δύο σημαντικές (αλλά διαφορετικές) προκλήσεις Επίτευξη επικοινωνίας μέσω ασύρματης ζεύξης Διαχείριση κινητών χρηστών που αλλάζουν το σημείο σύνδεσης στο δίκτυο

Κινητές επικοινωνίες Υπάρχουν δύο πλευρές κινητικότητας (mobility): Κινητικότητα χρήστη (user mobility): οι χρήστες επικοινωνούν ασύρματα (wireless) «οποτεδήποτε, οπουδήποτε, με οποιονδήποτε» (“anytime, anywhere, with anyone”) Μεταφερσιμότητα συσκευών (device portability): συσκευές devices can be connected anytime, anywhere to the network Η ζήτηση για κινητές επικοινωνίες δημιουργεί την ανάγκη για ολοκλήρωση (integration) των ασύρματων δικτύων και των σταθερών δικτύων Ασύρματα τοπικά δίκτυα: πρότυπο IEEE 802.11 Internet: Mobile IP επέκταση του internet πρωτοκόλλου IP Δίκτυα ευρείας περιοχής: π.χ., δικτύωση GSM και ISDN

Εφαρμογές κινητών & ασύρματων επικοινωνιών Οχήματα Εκπομπή νέων, συνθηκών κίνησης, καιρού, μουσικής, ... Προσωπικές επικοινωνίες (κινητή τηλεφωνία) μέσω GSM Εντοπισμός θέσης μέσω GPS τοπικά ad-hoc δίκτυα ανάμεσα σε κοντινά οχήματα για αποφυγή ατυχημάτων, παροχή βοήθειας, οδηγιών, ... Επείγοντα Προληπτική εκπομπή δεδομένων ασθενών σε νοσοκομεία, πρώτη διάγνωση κρίσεις, πολεμικές εφαρμογές, ...

Τυπική εφαρμογή: συνθήκες κίνησης ad hoc

Εφαρμογές κινητών & ασύρματων επικοινωνιών «Κινητά» στελέχη εταιριών (Travelling salesmen) Άμεση πρόσβαση σε αρχεία πελατών αποθηκευμένα σε κεντρικό server ενημερωμένες databases για όλα τα στελέχη κινητό γραφείο Αντικατάσταση σταθερών δικτύων Απομακρυσμένοι αισθητήρες (sensors), π.χ., καιρός, μετρήσεις γήινης / σεισμικής δραστηριότητας Ευελιξία για trade shows LANs σε ιστορικά κτήρια Διασκέδαση, εκπαίδευση, ... Ασύρματη πρόσβαση στο Internet Έξυπνοι ταξιδιωτικοί οδηγοί με ενημερωμένη πληροφορία ανάλογα με τη θέση (location dependent information) ad-hoc δίκτυα για multi-user games

Κινητές συσκευές Κινητά τηλέφωνα (mobile phones) Φορητοί Η/Υ (laptops) Προσωπικοί ψηφιακοί βοηθοί (PDAs, Personal Digital Assistants) Η/Υ παλάμης (palmtops) Tablet PCs Pagers

Κινητές συσκευές performance Pager μόνο λήψη πολύ μικρές οθόνες απλά text μηνύματα PDA οθόνες γραφικών αναγνώριση χαρακτήρων απλό WWW Laptop/Notebook πλήρως λειτουργικά standard εφαρμογές Sensors, ενσωματωμένοι controllers Palmtop πολύ μικρά πληκτρολόγια απλές εκδόσεις standard εφαρμογών Κινητά τηλέφωνα φωνή, δεδομένα απλές οθόνες γραφικών www.scatterweb.net performance

Συνέπειες της μεταφερσιμότητας συσκευών Κατανάλωση ενέργειας Περιορισμένη υπολογιστική ισχύς, χαμηλής ποιότητας οθόνες, μικρός αποθηκευτικός χώρος CPU: κατανάλωση ενέργειας ~ CV2f C: εσωτερική χωρητικότητα, μειώνεται με την ολοκλήρωση (integration) V: εφαρμοζόμενη τάση, μπορεί να μειωθεί σε ένα συγκεκριμένο όριο f: συχνότητα ρολογιού, μπορεί να μειωθεί προσωρινά Απώλεια δεδομένων Μεγαλύτερη πιθανότητα, πρέπει να ληφθεί υπόψη στο σχεδιασμό (π.χ., ατέλεια κατασκευής, κλοπή) Περιορισμοί στις γραφικές διεπαφές χρήστη Συμβιβασμός ανάμεσα στο μέγεθος των δακτύλων και τη μεταφερσιμότητα ολοκλήρωση αναγνώρισης χαρακτήρων φωνής Περιορισμένη μνήμη flash-memory ή ? ως εναλλακτική

Ασύρματα έναντι σταθερών δικτύων Υψηλότεροι ρυθμοί απώλειας δεδομένων λόγω παρεμβολών π.χ. θόρυβος μηχανών, φωτισμός Περιορισμένοι κανόνες (regulations) για την κατανομή συχνοτήτων Οι χρήσιμες συχνότητες είναι σχεδόν όλες κατηλειμμένες Χαμηλές ταχύτητες εκπομπής Σε τοπικά δίκτυα λίγα Mbit/s, πολύ μικρότερες σε δίκτυα ευρείας περιοχής (π.χ. GSM/GPRS) Μεγαλύτερες χρονικές καθυστερήσεις connection setup καθυστέρηση στο GSM, μερικές εκατοντάδες milliseconds σε άλλα ασύρματα συστήματα Χαμηλότερη ασφάλεια, πιο εύκολες «επιθέσεις» radio παρεμβολές προσβάσιμες στον καθένα, τα base stations μπορούν να προσομοιωθούν ώστε να «ακούγονται» κλήσεις από κινητά τηλέφωνα Το (ασύρματο) μέσο είναι πάντα κοινό (shared) Σημαντική η ύπαρξη ασφαλών μηχανισμών πρόσβασης

Πρώιμη ιστορία των ασύρματων επικοινωνιών Πολλοί λαοί στην ιστορία χρησιμοποιούσαν φως για επικοινωνία σημαίες, ... 150 π.Χ. σήματα καπνού 1794, οπτικός τηλέγραφος, Claude Chappe Τα ηλεκτρομαγνητική κύματα έχουν ιδιαίτερη σημασία στις ασύρματες επικοινωνίες: 1831: Ο Faraday επιδεικνύει την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή J. Maxwell (1831-79): θεωρία ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, κυματικές εξισώσεις (1864) H. Hertz (1857-94): επιδεικνύει με ένα πείραμα τον κυματικό χαρακτήρα της ηλεκτρικής μετάδοσης στο χώρο (1888, Καρλσρούη, Γερμανία)

Ιστορία των ασύρματων επικοινωνιών I 1896 Guglielmo Marconi Πρώτη επίδειξη ασύρματου τηλέγραφου (ψηφιακός!) Μετάδοση μεγάλων μήκων κύματος, απαραίτητη η μεγάλη ισχύς μετάδοσης (> 200kw) 1907 Εμπορικές υπερατλαντικές συνδέσεις Τεράστιοι σταθμοί βάσης (base stations) (30 κεραίες ύψους 100m) 1915 Ασύρματη μετάδοση φωνής New York - San Francisco 1920 Ανακάλυψη μικροκυμάτων από τον Marconi Ανάκλαση στην ιονόσφαιρα Μικρότερων διαστάσεων μεταδότης και παραλήπτης

Ιστορία των ασύρματων επικοινωνιών II 1928 πολλά πειράματα TV broadcast trials (across Atlantic, color TV, TV news) 1933 Διαμόρφωση συχνότητας (Frequency modulation) - E. H. Armstrong 1958 A-Netz στη Γερμανία αναλογική, 160MHz, connection setup μόνο από τον κινητό σταθμό, όχι handover, 80% κάλυψη, το 1971 11000 πελάτες 1972 B-Netz στη Γερμανία αναλογική, 160MHz, connection setup και από το σταθερό δίκτυο (αλλά η θέση του κινητού σταθμού πρέπει να είναι γνωστή) 1979 NMT στα 450MHz (Σκανδιναβικές χώρες) 1982 Έναρξη καταγραφής των προδιαγραφών του GSM στόχος: πανευρωπαϊκό ψηφιακό σύστημα κινητής τηλεφωνίας με υποστήριξη roaming 1983 Έναρξη του Αμερικανικού AMPS (Advanced Mobile Phone System, αναλογικό) 1984 CT-1 standard (Ευρώπη) για ασύρματα τηλέφωνα

Ιστορία των ασύρματων επικοινωνιών III 1992 Έναρξη του GSM πλήρως ψηφιακό, 900MHz, 124 channels Αυτόματος εντοπισμός θέσης, hand-over, κυψελωτό (cellular) roaming στην Ευρώπη – σήμερα παγκοσμίως, σε περισσότερες από 200 χώρες υπηρεσίες: δεδομένα με 9.6kbit/s, FAX, φωνή, ... 1997 Ασύρματα LAN – IEEE 802.11 IEEE standard, 2.4 - 2.5GHz και infrared, 2Mbit/s Πολλά (ιδιόκτητα, proprietary) προϊόντα διαθέσιμα έως τότε 1998 Προδιαγραφές των επιγόνων του GSM UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) 66 δορυφόροι (+6 εφεδρικοί), 1.6GHz στην κινητή τηλεφωνία

Ιστορία των ασύρματων επικοινωνιών ΙV 1999 Πρότυπα για επιπλέον ασύρματα LANs IEEE πρότυπο 802.11b, 2.4-2.5GHz, 11Mbit/s Bluetooth για piconets, 2.4Ghz, <1Mbit/s Έναρξη των WAP (Wireless Application Protocol) και i-mode Πρώτο βήμα προς ένα ενοποιημένο σύστημα Internet/κινητό δίκτυο Πρόσβαση σε πολλές υπηρεσίες ειδικά για κινητά τηλέφωνα 2000 GSM με υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων Το HSCSD προσφέρει ως 57,6kbit/s Πρώτα GPRS πειράματα trials with up to 50 kbit/s (packet oriented!) Διαγωνισμοί για UMTS άδειες Ο ντόρος ακολουθήθηκε από απογοήτευση (50 δις$ σπαταλήθηκαν στη Γερμανία για 6 άδειες!) 2001 Έναρξη 3G συστημάτων Cdma2000 στην Κορέα, UMTS tests στην Ευρώπη, Foma (σχεδόν UMTS) στην Ιαπωνία

Ασύρματα συστήματα: σύνοψη της ανάπτυξης cordless phones wireless LAN cellular phones satellites 1980: CT0 1981: NMT 450 1982: Inmarsat-A 1983: AMPS 1984: CT1 1986: NMT 900 1987: CT1+ 1988: Inmarsat-C 1989: CT 2 1991: CDMA 1991: D-AMPS 1991: DECT 1992: GSM 1992: Inmarsat-B Inmarsat-M 199x: proprietary 1993: PDC 1997: IEEE 802.11 1994: DCS 1800 1998: Iridium 1999: 802.11b, Bluetooth 2000: GPRS 2000: IEEE 802.11a analogue 2001: IMT-2000 digital 200?: Fourth Generation (Internet based) 4G – fourth generation: πότε και πως;

Χρήστες ασύρματων τεχνολογιών παγκοσμίως (παλαιά πρόβλεψη 1998) # συνδρομητές κινητών τηλεφώνων σήμερα υπερβαίνει # συνδρομητές σταθερών τηλεφώνων! 100 200 300 400 500 600 700 1996 1997 1998 1999 2000 2001 Americas Europe Japan others total

Κινητά τηλέφωνα ανά 100 ανθρώπους το 1999 Germany 10 20 30 40 50 60 Greece Spain Belgium France Netherlands Great Britain Switzerland Ireland Austria Portugal Luxemburg Italy Denmark Norway Sweden Finland 2005: 70-90% διείσδυση στην κεντρική Ευρώπη

Παγκόσμια αύξηση συνδρομητών κινητής τηλεφωνίας Η καμπύλη αρχίζει και γίνεται πιο επίπεδη από το 2000 – 2004: 1.5 δις χρήστες

Συνδρομητές κινητής τηλεφωνίας ανά περιοχή (Ιούνιος 2002)

Στοιχεία ενός ασύρματου δικτύου ασύρματοι κόμβοι laptop, PDA, IP τηλέφωνο εκτελούν εφαρμογές μπορεί να είναι σταθεροί ή κινητοί ασύρματο δεν σημαίνει απαραίτητα και κινητό! δικτυακή υποδομή

Στοιχεία ενός ασύρματου δικτύου σταθμός βάσης (base station) τυπικά συνδέεται σε σταθερό δίκτυο Προωθεί πακέτα ανάμεσα στο σταθερό και το ασύρματο δίκτυο στην «περιοχή» του π.χ., κεραίες κινητής τηλεφωνίας, 802.11 access points δικτυακή υποδομή

Στοιχεία ενός ασύρματου δικτύου ασύρματη ζεύξη Τυπικά συνδέει ασύρματους κόμβους σε base stations Μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε δίκτυα κορμού (διασύνδεση base stations) Η πρόσβαση στο κοινό (ασύρματο) κανάλι συντονίζεται από ένα πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης (MAC protocol) Διάφοροι ρυθμοί μετάδοσης, αποστάσεις μετάδοσης δικτυακή υποδομή

Χαρακτηριστικά επιλεγμένων ασύρματων προτύπων 54 Mbps 802.11{a,g} 5-11 Mbps .11 p-to-p link 802.11b 1 Mbps 802.15 3G 384 Kbps UMTS/WCDMA, CDMA2000 2G 56 Kbps IS-95 CDMA, GSM Indoor 10 – 30m Outdoor 50 – 200m Mid range outdoor 200m – 4Km Long range 5Km – 20Km

Στοιχεία ενός ασύρματου δικτύου λειτουργία Ο base station συνδέει τους κινητούς κόμβους στο σταθερό δίκτυο handoff: οι κινητοί κόμβοι αλλάζουν τον base station που τους παρέχει πρόσβαση στο σταθερό δίκτυο δικτυακή υποδομή

Ad-Hoc ασύρματα δίκτυα δεν υπάρχουν base stations Οι κόμβοι επικοινωνούν μέσω άλλων κόμβων που βρίσκονται στην περιοχή εμβέλειάς τους Οι κόμβοι αυτο-οργανώνονται σε ένα (ad hoc) δίκτυο: παρέχουν και δρομολόγηση ανάμεσα σε κόμβους που βρίσκονται ο ένας εκτός της εμβέλειας του άλλου

Χαρακτηριστικά ασύρματων ζεύξεων Διαφορές σε σχέση με τις ενσύρματες ζεύξεις …. Μειωμένη ισχύς σήματος: τα ραδιοσήματα εξασθενούν καθώς διαδίδονται μέσω της ύλης (path loss) Παρεμβολές με άλλες πηγές: υπάρχουν πρότυπα για δικτυακές συχνότητες (π.χ., 2.4 GHz) που διαμοιράζονται μεταξύ συσκευών (π.χ. τηλέφωνα) Διάδοση πολλαπλών διαδρομών (multipath propagation): τα ραδιοσήματα ανακλώνται σε επιφάνειες και αντικείμενα, και φτάνουν στον προορισμό τους σε διαφορετικούς χρόνους …. η ασύρματη επικοινωνία, ακόμα και από σημείο-σε-σημείο (point to point) είναι πιο “δύσκολη”

Χαρακτηριστικά ασύρματων ζεύξεων H ύπαρξη πολλαπλών αποστολέων και παραληπτών δημιουργεί επιπλέον προβλήματα (εκτός της πολλαπλής πρόσβασης στο κοινό κανάλι): A B C A’s signal strength space C’s signal A B C Πρόβλημα κρυμμένου τερματικού (Hidden terminal problem) B, A «ακούν» ο ένας τον άλλο B, C «ακούν» ο ένας τον άλλο A, C δεν «ακούν» ο ένας τον άλλο Άρα οι A, C αγνοούν ότι δημιουργούν παρεμβολή στο B Εξασθένηση σήματος: B, A «ακούν» ο ένας τον άλλο B, C «ακούν» ο ένας τον άλλο A, C δεν «ακούν» ο ένας τον άλλο και δημιουργούν παρεμβολή στο B

IEEE 802.11 Ασύρματα LANs (Wi-Fi) 802.11b 2.4-5 GHz φάσμα συχνοτήτων ως 11 Mbps Πολύ μεγάλη εγκατεστημένη βάση, χρησιμοποιεί base stations 802.11a 5-6 GHz φάσμα συχνοτήτων ως 54 Mbps 802.11g 2.4-5 GHz φάσμα συχνοτήτων up to 54 Mbps Όλα τα πρότυπα χρησιμοποιούν CSMA/CA (παρόμοιο μ’ εκείνο των δικτύων Ethernet) ως πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης Χρησιμοποιούν διαφορετικές τεχνικές διαμόρφωσης (modulation) Όλα χρησιμοποιούν base-stations Τα 802.11b και 802.11g διαιρούν το φάσμα συχνοτήτων σε 14 κανάλια που το κέντρο των συχνοτήτων τους είναι σε απόσταση 5 MHz Since the 2.4 GHz band is heavily used, using the 5 GHz band gives 802.11a the advantage of less interference. However, this high carrier frequency also brings disadvantages. It restricts the use of 802.11a to almost line of sight, necessitating the use of more access points; it also means that 802.11a cannot penetrate as far as 802.11b since it is absorbed more readily, other things (such as power) being equal.

802.11 LAN αρχιτεκτονική Οι κόμβοι επικοινωνούν με ένα base station Internet Οι κόμβοι επικοινωνούν με ένα base station base station = access point (AP) Basic Service Set (BSS) («κυψέλη», “cell”) περιέχει: ασύρματους κόμβους access point (AP): base station AP hub, switch ή router AP BSS 1 BSS 2

802.11: κανάλια, συσχετίσεις κόμβοι: πρέπει να συσχετιστούν με ένα AP 802.11b: Το 2.4GHz-2.485GHz φάσμα διαιρείται σε 11 κανάλια διαφορετικών συχνοτήτων Ο διαχειριστής του AP επιλέγει τη συχνότητα του AP πιθανή παρεμβολή: το κανάλι μπορεί να είναι το ίδιο με εκείνο κάποιου γειτονικού AP! κόμβοι: πρέπει να συσχετιστούν με ένα AP «σκανάρουν» τα κανάλια,ακούγοντας για beacon frames που περιέχουν το όνομα του AP (SSID) και τη MAC address του επιλέγουν το AP με το οποίο συσχετίζονται τυπικά χρησιμοποιούν το πρωτόκολλο DHCP για να πάρουν την IP διεύθυνση που θα χρησιμοποιούν στο υποδίκτυο του AP

IEEE 802.11: πολλαπλή πρόσβαση Συγκρούσεις (collisions): όταν 2 (ή παραπάνω) κόμβοι εκπέμπουν ταυτόχρονα 802.11: CSMA - «άκουσε» το κανάλι πριν εκπέμψεις Αποκλείεται η σύγκρουση με μετάδοση δεδομένων που βρίσκεται σε εξέλιξη 802.11: δεν υπάρχει ανίχνευση σύγκρουσης! Η ανίχνευση συγκρούσεων είναι δύσκολη κατά τη διάρκεια της μετάδοσης καθώς τα σήματα που λαμβάνονται είναι εξασθενημένα (fading) Έτσι κι αλλιώς η ανίχνευση όλων των συγκρούσεων είναι αδύνατη: hidden terminal, fading στόχος: αποφυγή συγκρούσεων: CSMA/C(ollision)A(voidance) A B C A’s signal strength space C’s signal

IEEE 802.11 MAC πρωτόκολλο: CSMA/CA 802.11 αποστολέας 1 Αν το κανάλι είναι διαθέσιμο (idle) για διάστημα DIFS τότε εκπέμπεις όλο το frame (χωρίς ανίχνευση σύγκρουσης) 2 Αν το κανάλι είναι κατειλημμένο τότε Περίμενε τυχαίο χρόνο (random backoff time) Εκπέμπεις όταν ο χρόνος εκλείψει Αν δε λάβεις ACK, περίμενε περισσότερο τυχαίο χρονικό διάστημα και επανέλαβε το βήμα 2 802.11 παραλήπτης - Αν το frame έχει ληφθεί OK επέστρεψε ACK μετά από χρόνο SIFS (το ACK απαιτείται λόγω του hidden terminal problem) sender receiver DIFS data SIFS ACK

Αποφυγή συγκρούσεων ιδέα: επέτρεψε στον αποστολέα αρχικά να “δεσμεύσει” το κανάλι αντί να στείλει άμεσα data frames: αποφυγή συγκρούσεων μεγάλων data frames Ο αποστολέας στέλνει αρχικά ένα μικρό request-to-send (RTS) πακέτο στον BS χρησιμοποιώντας CSMA Τα RTSs μπορεί να συγκρουστούν (αλλά είναι μικρά, άρα μικρο το κακό) Οι BS στέλνουν (broadcast) clear-to-send CTS πακέτο σε απάντηση του RTS Τα RTS λαμβάνονται από όλους τους κόμβους Ο αποστολέας εκπέμπει το data frame Οι άλλοι κόμβοι αναβάλουν την εκπομπή των πακέτων τους

Αποφυγή συγκρούσεων: ανταλλαγή RTS-CTS A B AP RTS(A) RTS(B) reservation collision RTS(A) CTS(A) DATA (A) ACK(A) αναβολή χρόνος

802.11 frame: διευθυνσιοδότηση control duration address 1 2 4 3 payload CRC 6 0 - 2312 seq Address 4: χρησιμοποιείται μόνο σε ad hoc mode (όταν δεν υπάρχουν APs) Address 1: MAC address του ασύρματου κόμβου ή του AP για τον οποίο προορίζεται το frame Address 3: MAC address της διεπαφής (interface) όπου συνδέεται το AP Address 2: MAC address του ασύρματου κόμβου ή του AP που εκπέμπει το frame

802.11 frame: διευθυνσιοδότηση Internet AP router AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr address 1 address 2 address 3 802.11 frame H1 R1 R1 MAC addr AP MAC addr dest. address source address 802.3 frame («παραδοσιακό» Ethernet frame)

802.11 frame: διευθυνσιοδότηση (για αξιόπιστο ARQ) διάρκεια του reserved transmission time (RTS/CTS) frame control duration address 1 2 4 3 payload CRC 6 0 - 2312 seq Type From AP Subtype To More frag WEP data Power mgt Retry Rsvd Protocol version 2 4 1 Τύπος frame (RTS, CTS, ACK, data)

802.11: κινητικότητα μέσα στο ίδιο υποδίκτυο (subnet) O H1 παραμένει στο ίδιο IP subnet: Μπορεί να διατηρήσει την ίδια IP διεύθυνση switch: ποιο AP συσχετίζεται με τον H1; Αυτόματη προσαρμογή: ο switch θα δει κάποιο frame από τον H1 και θα “θυμηθεί” ποιο switch port μπορεί να χρησιμοποιήσει για να «φθάσει» τον H1 router hub or switch BBS 1 AP 1 AP 2 H1 BBS 2

802.15: Δίκτυα προσωπικής περιοχής (personal area networks) Διάμετρος < 10 m Αντικατάσταση καλωδίων (mouse, πληκτρολόγιο, ακουστικά) ad hoc: δεν υπάρχει δικτυακή υποδομή Αφέντες/σκλάβοι (master/slaves): Οι slaves ζητούν από το master την άδεια να εκπέμψουν Ο master εκχωρεί την άδεια 802.15: προήλθε από τις προδιαγραφές του Bluetooth 2.4-2.5 GHz μπάντα συχνοτήτων Ταχύτητες ως 721 kbps P S P radius of coverage M S P S P M S Master device Slave device Parked device (inactive) P

(Mobile communications) Κινητές επικοινωνίες (Mobile communications)

Στοιχεία αρχιτεκτονικής ενός κυψελωτού δικτύου (cellular network) MSC συνδέει κυψέλες σε ένα δίκτυο ευρείας περιοχής διαχειρίζεται την εγκατάσταση σύνδεσης (call setup) διαχειρίζεται την κινητικότητα συσκευών κυψέλη (cell) καλύπτει μια γεωγραφική περιοχή base station (BS) ανάλογο με το ΑΡ του 802.11 κινητοί χρήστες συνδέονται στο δίκτυο μέσω ενός BS air-interface: πρωτόκολλο του physical και link layer μεταξύ του κινητού και του BS Mobile Switching Center Δημόσιο τηλεφωνικό δίκτυο και Internet σταθερό δίκτυο

Στοιχεία αρχιτεκτονικής ενός κυψελωτού δικτύου (cellular network) correspondent Δημόσιο τηλεφωνικό δίκτυο και Internet MSC MSC MSC MSC MSC Διαφορετικά κυψελωτά δίκτυα, που λειτουργούν από διαφορετικούς τηλεπικοινωνιακούς παρόχους

Κυψελωτά συστήματα (cellular systems)

Διαμοίραση συχνοτήτων σε ένα κυψελωτό δίκτυο τηλεφωνίας

Κυψελώτα συστήματα: διαχείριση φάσματος συχνοτήτων Δύο τεχνικές για τον καταμερισμό του φάσματος συχνοτήτων κινητό-προς-BS Συνδυασμός FDMA/TDMA: διαίρεση του φάσματος σε κανάλια συχνοτήτων, διαίρεση κάθε καναλιού σε χρονοθυρίδες (time slots) CDMA: code division multiple access (πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση κώδικα) frequency bands time slots

Κυψελώτα συστήματα: σύνοψη 2G συστήματα: κανάλια φωνής IS-136 TDMA: συνδυασμός FDMA/TDMA (Βόρειος America) GSM (global system for mobile communications): συνδυασμός FDMA/TDMA Διατηρεί τη μεγαλύτερη εγκατεστημένη βάση δικτύων παγκοσμίως IS-95 CDMA: code division multiple access Χρησιμοποιούν μεταγωγή κυκλώματος (circuit-switched) Κάθε τηλεφωνική κλήση ή αποστολή δεδομένων δεσμεύει ένα κανάλι Εφαρμόζεται χρονοχρέωση (καθώς το κανάλι είναι κατειλημμένο ανεξάρτητα από το αν στέλνονται δεδομένα ή όχι) CDMA-2000 TDMA/FDMA GPRS EDGE UMTS IS-136 IS-95 GSM

Κυψελωτά συστήματα: σύνοψη 2.5 G συστήματα: επικοινωνίες φωνής & δεδομένων για όσους δεν μπορούν να περιμένουν για την 3G: επεκτάσεις 2G general packet radio service (GPRS) εξέλιξη από το GSM Δεδομένα μπορούν να σταλούν πάνω από πολλαπλά κανάλια (αν υπάρχουν διαθέσιμα) Ταχύτητες ως 171 Κ enhanced data rates for global evolution (EDGE) επίσης εξέλιξη του GSM, χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές διαμόρφωσης Ταχύτητες ως 384K Χρησιμοποιούν μεταγωγή πακέτου (packet-switched) Η αποστολή δεδομένων δεν δεσμεύει ένα κανάλι Εφαρμόζεται ογκοχρέωση

Κυψελωτά συστήματα: σύνοψη 3G systems: επικοινωνίες φωνής & δεδομένων Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS) Το επόμενο βήμα του GSM, αλλά με χρήση CDMA Ταχύτητες ως 2 Μbps

Εξέλιξη δικτύων κινητής τηλεφωνίας

Διαχείριση της κινητικότητας στα κυψελωτά δίκτυα home network: το δίκτυο του κυψελωτού τηλεπικοινωνιακού φορέα στο οποίο υπάρχει συνδρομή (π.χ., Vodafone, TIM) home location register (HLR): βάση δεδομένων στο home network που περιέχει το τον αριθμό του κινητού τηλεφώνου, πληροφορίες προφίλ χρήστη (υπηρεσίες, προτιμήσεις, χρέωση), πληροφορία σχετικά με την τρέχουσα τοποθεσία (μπορεί να είναι σε άλλο δίκτυο) visited network: δίκτυο στο οποίο φιλοξενείται τώρα το κινητό τηλέφωνο visitor location register (VLR): βάση δεδομένων με πληροφορίες για κάθε χρήστη που φιλοξενείται σε αυτό το δίκτυο

GSM: έμμεση δρομολόγηση στο κινητό HLR home network correspondent 2 Το home MSC ζητάει από τη HLR το roaming number του κινητού στο visited network home Mobile Switching Center 1 Η κλήση δρομολογείται στο home network 3 Το home MSC εγκαθιστά το 2ο κομμάτι της κλήσης στο MSC του visited network Public switched telephone network VLR Mobile Switching Center 4 Το MSC στο visited network ολοκληρώνει την εγκατάσταση της κλήσης μέσω του base station στο κινητό mobile user visited network

GSM: handoff με κοινό MSC Στόχος του Handoff: δρομολόγηση της κλήσης μέσω ενός νέου base station (χωρίς διακοπή) Λόγοι για handoff: Ισχυρότερο σήμα από/προς το νέο BSS (συνεχιζόμενη σύνδεση, μικρότερη κατανάλωση ενέργειας) Κατανομή φόρτου: ελευθέρωση καναλιών στο τρέχον BSS Το handoff προκαλείται από το παλιό BSS VLR Mobile Switching Center old routing new routing old BSS new BSS

GSM: handoff με κοινό MSC 1. Το παλιό BSS πληροφορεί το MSC για επικείμενο handoff, παρέχει λίστα από 1+ νέα (γειτονικά BSSs) 2. Το MSC εγκαθιστά κανάλι (allocates resources) προς το νέο BSS 3. Το νέο BSS δεσμεύει ένα ραδιοκανάλι για να χρησιμοποιηθεί από το κινητό 4. Το νέο BSS ειδοποιεί το MSC, και το παλιό BSS ότι είναι έτοιμο 5. το παλιό BSS λέει στο κινητό: εκτέλεσε handoff προς το νέο BSS 6. Το κινητό και το νέο BSS επικοινωνούν για να ενεργοποιήσουν το νέο κανάλι 7. Το κινητό ειδοποιεί το MSC μέσω του νέου BSS ότι το handoff ολοκληρώθηκε. Το MSC επαναδρομολογεί την κλήση 8 Το κανάλι ανάμεσα στο MSC και το παλιό BSS απελευθερώνεται VLR Mobile Switching Center 2 4 1 7 8 3 old BSS 5 6 new BSS

GSM: handoff με κοινό MSC home network Home MSC anchor MSC: το πρώτο MSC που εξυπηρέτησε το κινητό στη διάρκεια της κλήσης Η κλήση εξακολουθεί να δρομολογείται μέσω του anchor MSC νέα MSCs προστίθενται στο τέλος της αλυσίδας των MSC καθώς το κινητό κινείται προς άλλο MSC correspondent anchor MSC PSTN MSC MSC MSC (a) before handoff

GSM: handoff ανάμεσα σε MSCs home network Home MSC anchor MSC: το πρώτο MSC που εξυπηρέτησε το κινητό στη διάρκεια της κλήσης Η κλήση εξακολουθεί να δρομολογείται μέσω του anchor MSC νέα MSCs προστίθενται στο τέλος της αλυσίδας των MSC καθώς το κινητό κινείται προς άλλο MSC correspondent anchor MSC PSTN MSC MSC MSC (b) after handoff