Adatátviteli rendszerek Mobil távközlő hálózatok rendszertechnikája. Dr. habil Wührl Tibor Óbudai Egyetem, KVK Híradástechnika Intézet

Átírás

1 Adatátviteli rendszerek Mobil távközlő hálózatok rendszertechnikája Dr. habil Wührl Tibor Óbudai Egyetem, KVK Híradástechnika Intézet

2 Mobil hálózatok fejlődés története (csak digitális, fontosabb mérföldkövek) EU GSM (Group Spécial Mobile) -> Global System for Mobile; 1980-as évek közepe. ETSI TDMA alapú hozzáférés (USA CDMA); 2G (+SMS bővítés; adatátvitel CSD 9600bps); 2,5G GPRS majd EDGE (2,75G); 1990-es évek második fele. UTRA (Universal Terrestrial Radio Access) 3GPP (1998-tól 3rd Generation Partnership Project) 3G - WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access)

3 Mobil hálózatok fejlődés története (csak digitális, fontosabb mérföldkövek) LTE Long Term Evolution (3G -> 4G) Rel8 (2008 dec.) FDD - TDD Rel9 (2009 dec.) Rel10 (2011 vége) Carrier aggregation; Enhanced downlink MIMO; Uplink MIMO. Rel11 (2013) Enhanced carrier aggregation. IoT hatása -> Narrow Band IoT.

4 Mitől lesz 5G? 4G hálózat jó alapokat ad a továbbfejlesztéshez (LTE elvek Multivivős, aggregált adatforgalmak); Hálózathoz megváltozott szokású eszközök kapcsolódnak, vagy szeretnének kapcsolódni; Transfer delay, jitter, csomagméret; Átviteli sebesség éhség megmaradt, sőt fokozódik (multimédiás tartalmak, HD 4k ).

5 Mitől lesz 5G? 5G elvárások igényspecifikáció Alacsony késleltetési idő (transfer delay), maximum néhány ms! Alacsony késleltetési idő ingadozás. Magas adatátviteli sebességek; IoT típusú eszközök hatékony kiszolgálása. Késleltetéssel kapcsolatos elvárások csak akkor valósulhatnak meg, ha a hálózati órajelszinkron nagyon precíz. Hozzáférési hálózat (RAN) kutatások szükségesek.

6 Általános mobil hálózati struktúra Core network BSS (Base Station System) MS Mobile Station ME Mobile Equipment UE User Equipment

7 GSM - 2G Base Station Subsystem Base Transceiver Station Base Station Controller Network Switching Subsystem Operation and Support Subsystem Mobile Switching Centre Visitor Location Register Home Location Register Gateway-MSC AuC- Authentication Centre EIR Equipment Identity Reg.

8 GSM protokoll architektúra Connection Management Mobility Management Radio Resource LAPD Link Access Protocol For the D channel BTSM BTS Management BSSAP BSS Application Part

9 GSM protokoll architektúra Layer3 CM Connection Management Hívás control (CC - Call Control); Supplementary Services; SMS. MM Mobility Management Regisztráció; Autentikáció; Identifikáció; Location Update Provision (IMSI csere TIMSI-re, ami a Location Area-ban azonosít). RR Radio Resource Üzenetek igazítása a csatornákhoz; Control és Traffic csatornák felépítése, fenntartása.

10 GSM protokoll architektúra Layer2 LAPDm LAPD mobile like Framing; Addressing; Error correction. Az ISDN-ből átvett LAPD, azzal a különbséggel, hogy itt nincs az üzenetek előtt és mögött flag.

11 GSM protokoll architektúra Layer1 Um Chipering (titkosítás); TA Timing Advance; Tx power szabályozás; Csatornakódolás; Moduláció demoduláció (logikai CH-k leképezése a fizikai CH-ba).

12 GSM protokoll architektúra Layer1 Timing Advance A Base Station és az MS közti rádiós jelterjedési idő távolság függő. TDMA miatt az egyes MS-ek osztoznak az IR-ek között (GSM-nél 8 IR áll rendelkezésre egy vivőn). Az egyes MS-ek más-más távolságban lehetnek a ugyanazon BS-től és esetleg szomszédos IR-ek jutnak nekik. Időrések közti áthallás veszély!

13 GSM TDM hozzáférés (Um)

14 GSM TDM hozzáférés (Um) TA Timing Advance 3GPP a TS05.10 és TS ban írja le a TA procedúrát. (ETSI TS és TS ) A TA változó értéke a BS-ben határozódik meg. A TA 6 bites bináris szám (0 63 között vehet fel decimálisan értéket). 550m távolságonként ugrik 1-et a TA értéke, így a max távolság (BS-MS) 35km. Enhanced range feature kb 110km-ig kiterjesztést jelent. (óceáni szigetek miatt) {Egy adott cellán belül található mobil pontosabb helymeghatározására van lehetőség a TA segítségével.}

15 GSM TDM hozzáférés (Um) TA Timing Advance Az MS a BTS-től fogadja a TA aktuális értékét a SACCH csatornában (Slow Associated Control Channel). Minden negyedik 26 keretből álló MultiFrameben 1db SACCH van (480ms időközt jelent, mert 26 keretes MF ideje 120ms) Csoporthívás esetén a TA érték kizárólag az Uplink irányt használó terminálnak szól!

16 GSM TDM hozzáférés (Um) DL-SACCH TX power level; TA paraméter. UL-SACCH Received Signal Strength; TCH quality; Handover döntés (szomszédos cellák jelerőssége alapján).

17 GSM TDM hozzáférés (Um) SDCCH Standalone Dedicated Control Channel A GSM-BTS jelzésüzenetek továbbítására szolgál, az MS által küldött RACH (Random Access Channel a call setup time alatt) a BTS AGCH (Access Grant Channel) válaszával épül fel. Az SDCCH rövid életű short lived.

18 2,5G General Packet Radio Service (GPRS)

19 2,5G CSD 1 időrés (TS) használatával 9600bit/s; HSCSD 4 TS > max 38,4kbit/s (115kbit/s); GPRS max 8TS -> max 115kbit/s (172kbit/s). A GPRS hatékonyabb rádiós interfész kihasználást jelent, mert a TS-ek foglalása a csomagkapcsolás elve miatt csak a tényleges adat továbbításkor foglalódik.

20 2,5G GPRS installáció esetén a BSC-k HW upgrade is szükséges volt, a többi építő elemben pedig SW. SGSN Serving GPRS Support Node; GGSN Gateway GPRS Support Node; BGw Billing Gateway.

21 2,5G SGSN (Serving GPRS Support Node) funkciói MM (Moblity Management protokol); SM (Session Management); Számlázás (számlázáshoz szükséges adatrekordok előállítása (CDR): elküldött SMSek, le- és feltöltött adatmennyiség); GGSN szelekció; Routing (IP router funkció); SMS over GPRS

22 2,5G GGSN (Gateway GPRS Support Node) funkciói A GGSN egy interfész a külső csomagkapcsolt hálózat felé; A külső IP hálózat szemszögéből a GGSN egy router, mely mögött a GPRS felhasználók találhatók.

23 2,5G SGSN funkciók MM (Moblity Management protocol) Cellák közti mozgás; SGSN Routing Area-k (RA) közti mozgás; PLMN-ek közti mozgás. A GPRS az LA-t (Location Area) nem használja, helyette új fogalom a Routing Area (RA)!

24 2,5G SGSN funkciók SM (Session Management) PDP kontext aktiválás; PDP kontext deaktiválás; PDP kontext módosítás. PDP kontext segítségével lehet felépíteni a virtuális csatornát az MS és GGSN között. A PDP kontext alapján történik az IP cím kiosztás és a QoS menedzsment.

25 2,5G SGSN funkciók PDP kontext aktiválási folyamata

26 2,5G SGSN funkciók Statikus IP esetén az MS-nek kiosztott IP cím a PDP address mezőben van, dinamikus IP esetén ez a mező üres a PDP kontext-ben. Dinamikus IP esetén az IP a GGSN-től jön, vagy a GGSN-en keresztül egy távoli autentikációs szerverről, például RADIUS (Remote Authentication Dial In User Service) szervertől.

27 2,5G Protokoll architektúra

28 2,75G - EDGE Ugyanazokat a GSM frekvenciákat és csatorna sávszélességet használja, mint a GPRS, csak kifinomultabb modulációs technikával 1TS-en 48kbit/s átviteli sebesség érhető el. 8TS esetén -> 384 kbit/s

29 PR 1998 körül

30 2G -> 3G 3GPP 3rd Generation Partnership Project (több szabványtestület összefogása, benne az ETSI). UMTS Universal Mobile Telecommunication System Egységes 3G rádiós interfész IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000)

31 2G -> 3G Nagyon megmozdult a világ, a WCDMA jó ötletnek tűnt.

32 2G -> 3G

33 WCDMA - cellalégzés Cellaméret a pillanatnyi terheléstől függő! Több felhasználó a cellában a többire nézve több zajforrást jelent -> jel-zaj viszony romlás.

34 3G -> 4G Az LTE-t a 3GPP release8 definiálja; Az LTE rádiós hozzáférés OFDMA-t használ DL és SC-FDMA-t UL irányban. Flexibilis spektrum allokáció 1,4MHz 20MHz. LTE maghálózata kizárólag csomagkapcsolás elven működik ban véglegesedtek az első LTE szabványok (3,9G-nek is nevezik ) Műszaki fejlesztések körül indultak. 3GPP release10 = LTE Advanced

35 LTE Long Term Evolution Az LTE elvileg bármilyen frekvenciatartományban működhet, de a rend kevéért a 3GPP szabványosította az egyes frekvenciasávokat és a duplexelési módokat (FDD, TDD). Elvárt adatátviteli sebesség maximumok: 80Mbit/s 3GPP szerint (2009 évi megfogalmazás) 50Mbit/s; Ericsson 2009 évben MIMO-val 300Mbit/s.

36 LTE Long Term Evolution

37 LTE Long Term Evolution SAE System Architecture Evolution LTE-Core: Evolved Packet Core (EPC); LTE-RAN: enode B P-GW: Packet data network GateWay S-GW: Serving GateWay MME: Mobility Management Entity

38 LTE Long Term Evolution Evolved Packet Core (EPC) Kizárólag csomagkapcsolt maghálózat, az SGSN-GGSN architektúrának fogható fel. Hangtovábbítás is csomagkapcsolással történik VoLTE (Voice over LTE).

39 LTE Long Term Evolution 3G és 4G együttélés (4G -> 3G handover)

40 LTE Long Term Evolution 3G és 4G együttélés (4G -> 3G reselection)

41 Köszönöm a figyelmet!

42 Órajel szinkron PCM (PDH) rendszereknél az órajel szinkron (bitszinkron) alap az E1 interfész (2 Mbit/s). Eltérő órajelű primer PCM csatornák multiplexálása bit beszúrással történik.

43 Órajel szinkron SDH rendszereknél a payload méret lehetőség nagyobb, mint az átvinni kívánt payload méret, így az belelötyög az SDH konténerbe. A tényleges helyet a pointer mutatja.

44 Órajel szinkron Csomagkapcsolt rendszereknél más a helyzet, mert teljes keret tárolódik a kapcsolókban, ez viszont nagy késleltetést (transfer delay-t) jelent.

45 IEEE1588v2 PTP PTP (Precision Time Protocol) első kiadás: 2002 revízió: Master-Slave architektúra Root Timing Reference = Grandmaster

46 IEEE1588v2 PTP Működés alapgondolata: A szinkronizáló üzenetekben található időbélyegek (Time stamp) alapján az egyes eszközben eltöltött idő korrigálható. A szinkronizáláshoz a UNIX idő használt (1970 január 1. éjféltől számított). TAI (International Atomic Time); UTC (Coordinated Universal Time)

47 IEEE1588v2 PTP protokoll elemei Sync, Follow-up, Delay-Req, Delay-Resp üzenetekkel történik a szinkronizálás. Pdealy-Req, Pdelay-Resp, Pdelay-Resp-Follow-Up a transzparens óra használja a kommunikációs médiumok késleltetésének lemérésében. Announce üzenetek Órajel hierarchia felépítés és a grandmaster kiválasztás. Management üzenetek monitorozás és konfig. Signaling üzenetek nem időkritikus kommunikációk.

48 IEEE1588 üzenetek átvitele V1 üzenetek (2002-es verzió) multicast; V2 üzenetek (2008-as verzió) unicast port by port. A PTP üzenetek UDP szegmensben, IP csomagban utaznak, vagy közvetlenül beágyazódnak a layer2 Ethernet keretbe. V1 esetén IPv4, V2 esetén IPv6 is definiált.

49 IEEE1588 üzenetek átvitele Minden üzenet kivéve a peer delay típusú: peer delay üzenetek: IPv4 IPv6 MAC FF0X:: B FF02::6B C E UDP port címek: 319 és 320; Ether Type: 0x88F7 (ha a PTP üzenet közvetlenül layer2-ben utazik).

50 IEEE1588 BMC (Best Master Clock) BMC alapfogalmak Prioritás: Statikusan tervezett, előzetesen definiált (alacsonyabb prioritás számérték magasabb prioritást jelent); Class: Minden óra tagja egy adott osztálynak a saját prioritásával; Accuracy (pontosság): A clock és az UTC közötti eltérés; Variance: órajel ingadozás;

51 IEEE1588 BMC (Best Master Clock) BMC alapfogalmak Prioritás2: véglegesen definiált prioritás; Unique ID (egyedi azonosító): Azonosítás a MAC cím alapján történik. Minden más tulajdonság egyezés esetén holtversenyben (tiebreaker) a MAC cím a döntő!

52 IEEE1588 BMC (Best Master Clock) A clock properties az IEEE nél a SYNC üzenettel hirdetődik; Az IEEE nál ANNOUNCE üzenettel. Miután az aktuális MASTER felismeri a nála jobb minőségű óra jelenlétét megállítja a SYNC/ANNOUNCE üzenetek küldését, a tulajdonságainak továbbítását.

53 IEEE1588 szinkronizáció A BMC algoritmussal kiválasztásra került az IEEE1588 domain-ben a master source. Egy adott eszköz offsetje: (saját maga és a mastere közti különbség) o(t)=s(t)-m(t) adott időpillanatokban meghatározott idők időfüggvényei o(t) tehát időben változó!

54 IEEE1588 szinkronizáció Master periódikusan hirdeti az aktuális időt: IEEE esetén másodpercenként; IEEE esetén max 10X másodpercenként.

55 IEEE1588 szinkronizáció A SYNC-et követően a MASTER opcionálisan küld egy FOLLOW_UP ot (multicast), melyben benne van a t1 időbélyeg (SYNC-be nem biztos, hogy be tud kerülni a t1!). A DELAY_RESP-ben a t4. Átviteli idő (transit time): Indirekt módon a round-trip időből. Delay=(t2-t1)+(t4-t3)/2 Offset=t2-t1-Delay A SLAVE-nek az Offset -tel kell az Óráját kiigazítani.

56 IEEE1588 szinkronizáció Feltételezés: Az üzenetváltás ideje olyan kicsi, hogy ez alatt nincs lényegi órajel vándorlás; Mindkét átviteli idő egymással megegyező; Master és slave eszköz is pontos időbélyeget képes generálni.

57 IEEE1588 szinkronizáció

58 Köszönöm a figyelmet!