Távközlő hálózatok és szolgáltatások Mobiltelefon-hálózatok

Átírás

1 Távközlő hálózatok és szolgáltatások Mobiltelefon-hálózatok Németh Krisztián BME TMIT okt. 12.

2 A tárgy feléítése 1. Bevezetés 2. IP hálózatok elérése távközlő és kábel-tv hálózatokon 3. Kacsolástechnika 4. Mobiltelefon-hálózatok 5. Gerinchálózati technikák 6. Távközlő rendszerek teleítése és üzemeltetése 7. Forgalmi követelmények, hálózatméretezés 8. Jelzésátvitel 9. Távközlő rendszerek szoftver elemei 10. Jelátviteli követelmények, kodekek 11. Hálózatok összefoglalása 12. Hálózati szolgáltatások 2

3 Mobil távközlő hálózatok Mobiltelefon-hálózatok áttekintése Első generációs mobiltelefon-hálózatok GSM (2G) UMTS (3G) Műholdas mobil információközlő hálózatok Mobil, zárt célú hálózatok 3

4 UMTS UMTS: Universal Mobile Telecommunication System, Egyetemes mobil távközlési rendszer Cél egy valóban univerzális 3G rendszer volt 1G rendszerek: önmagukkal sem komatibilisek 2G: még mindig több, egymással inkomatibilis rendszer Ez sem sikerült maradéktalanul... ITU: IMT-2000 (International Mobile Telecommunications- 2000) szabvány UMTS (Eu) FOMA: Freedom of Mobile Multimedia Access (Jaán) UMTS komatibilis CDMA2000: Code Division Multile Access (US) UMTS-nek is vannak alverziói: 3GPP szabványosítja 3GPP: 3rd Generation Partnershi Project, 3G artnerségi rojekt 4

5 Közgazdasági háttér UMTS: 2000 körül a koncessziókat árverésre bocsátották Koncesszió: iacra léési engedély: az állami jogok, kötelezettségek vállalkozás(ok) meghatározott iaci ozíció: monool vagy oligool. cserébe: kötelezettségek, járadék Németország 49,7 milliárd euró*** 2.5% éves GDP Nagy-Britannia 38,2 milliárd euró 2.5% éves GDP Olaszország 12,5 milliárd euró 1.1% éves GDP ***kb. Magyarország 2001-es GDP-jének 80%-a! Ezt a távközlési szektorból vonták el Emiatt sok országban elhalasztották az UMTS tendert Pl. Magyarországon is éveket késett Végül: T-Mobile 17 milliárd Ft, Pannon 19 mrd. Ft, Vodafone 16,5 mrd Ft. Koncesszió 15 évre, ez alatt kell a díjat befizetni szolgáltatás vége óta 5

6 UMTS célok UMTS célok: jobb beszédhangminőség (PSTN-t elérő) jobb sektrumkihasználtság (földi és elvben műholdas is) nagyobb adatátviteli sebesség GSM komatibilitás 6

7 UMTS szolgáltatások Beszédátvitel: Adative MultiRate (AMR) kodek: ld. később 4,7 12,2 kb/s Adatátvitel, Internet elérés városban tiikus max. 384 kb/s, 120 km/h sebességig vidéken tiikus max. 144 kb/s, 500 km/h sebességig helyi rendszerben max. 2 Mb/s, 10 km/h sebességig Multimedia szolgáltatások, ld. következő dia Értéknövelt szolgáltatások (nem csak 3G) chat, játékok, zene letöltése, stb. helyhez kötött szolgáltatások: l. hol a barátnőm?, hol vagyok én?!, térké, bankautomata, kocsma, segélyhívás, helytől függő számlázás (!) 7

8 UMTS szolgáltatások UMTS szolgáltatások ma Magyarországon: beszédátvitel adatátvitel videotelefon (kb. 100 Ft/erc) TV nézés (70 Ft/erc) l. Magyar Televízió, Duna Tv, Echo Tv, Hír Tv, ATV Rádió hallgatás l. Petőfi, Kossuth, Sláger, Danubius, Gazdasági Rádió, Klubrádió Forgalomfigyelő kamerák Astoria, Fővám tér, Podmaniczky utca, Gellért tér, Kosztolányi Dezső tér, Margit krt., Roosevelt tér, Cseel Hungarorama (kamerák több városban) Budaest, Esztergom, Visegrád, Siófok, Győr, Sárvár, Veszrém, Lillafüred, Balatonfüred Videók, zenék letöltése Stb, stb. Talmácsi Moto GP, fesztiválok, mozielőzetesek, erotikus videók, Garfield és barátai, humoros videók, sortvideók, fesztiválok, video art Kell a killer alication!!! 8

9 Rádiós közeg Frekvenciák: MHz felfele MHz lefele ebből műholdnak fenntartva: MHz fel, MHz le Közeghozzáférés: CDMA, Code Division Multile Access, kódosztásos többszörös hozzáférés (SzgH. tárgy már érintette) Ugyanaz a frekvencia, ugyanaz az idő, más kód élda: soknyelvű retéri váró Minden jel szétkenve a teljes sektrumra, de kis teljesítménnyel Cél: jobb sektrumkihasználtság P e helyett ez f 9

10 Kódosztás Működés: a digitális jelet összeszorozzuk egy ún. szórókóddal (sreading code), és ezt sugározzuk ki a szorzás ontosabban: NOT(XOR(bit1,bit2)) a kisugárzott jel hozzáadódik a többi adó által kisugárzotthoz A szórókód bitsebességge (chirate) sokkal nagyobb (kb. 100x) A szórókódok ortogonálisak, azaz egy bitidőre átlagolva két szórókód szorzatát nullát kaunk 10

11 Kódosztás Kicsit részletesebben: Kódolás STEP 1. A szórókódot és az elkódolni kívánt adatot is rerezentáljuk a következőké: Vegyük észre: ekkor NOT(XOR(a,b)) valójában a*b, azaz szorzás 1*1=1, 1*-1=-1, -1*1=-1, -1*-1=1 STEP 2. Végezzük el a szórókód összeszorzását a küldendő adattal a szórókód összes bitjét szorozzuk az adat egy adott bitjével, így jelentősen megnő a jelsebesség STEP 3. Sugározzuk ki az így kaott jelet a közös frekvencián Dekódolás Modellünkben egyszerűen összeadjuk az összes így kaott jelet STEP 1. A vett jelet (a kódolás STEP 3 összege) szorozzuk meg az adó szórókódjának a bitjeivel sorban. Ahány bitet kívánunk venni, annyiszor ismételjük ezt meg STEP 2. Az így kaott értékeket átlagoljuk bitidőkre STEP 3. Ha az átlag 1: a küldött bit 1. Ha az átlag -1: a küldött bit 0 STEP 4. Ismételjük meg mindezt az összes vevőre 11

12 Kódosztás A kódolás szemléltetése: jel1 jel szórókód1 kimenet1 szórókód2 kimenet2 összegzett kimenet

13 Kódosztás A dekódolás szemléltetése: összegzett kimenet szórókód1 vett jel1 jel

14 Kódosztás Nézzünk egy száméldát! Vigyük át az (1, 0) és az (1, 1) jeleket az (1, 1, 0, 0), ill. (1, 0, 0, 1) szórókódokat használva Kódolás: STEP 1. Az átviendő jel legyen A: (1, -1) B: (1, 1) STEP 1. A két szórókód legyen Dekódolás STEP 1. A szorzat: A: 2, 0, 2, 0, 0, -2, 0, -2 B: 2, 0, 2, 0, 0, 2, 0, 2 STEP 2. Az átlagok: A: 1, -1 B: 1, 1 STEP 3: A vett jel: A: 1, 0 B: 1, 1 Megj: mindez azért sikerülhetett, mert a szórókódok valóban ortogonálisak, azaz a kettő szorzatának az átlaga nulla: A szorzat: 1, -1, 1, -1 Az átlag: A: (1, 1, -1, -1) B: (1, -1, -1, 1) STEP 2. Az elküldendő jelek: A: 1,1,-1,-1,-1,-1,1,1 B: 1, -1, -1, 1, 1, -1, -1, 1 STEP 3.Ezek összege: 2, 0, -2, 0, 0, -2, 0,

15 Az UMTS hálózat CS RNS VLR MSC GMSC Node B RNC HLR USIM UE Node B PS UE: User Equiment USIM: UMTS SIM Node B Node B: mint a bázisállomás GSM-ben RNC: Radio Network Controller, Rádiós hálózati vezérlő (mint a bázisállomás-vezérlő GSM-ben) RNS: Radio Network Subsystem, Rádiós hálózati alrendszer MSC, HLR, VLR: mint GSM-ben GMSC: Gateway MSC: MSC és egyben átjáró más hálózatok felé (l. ISDN) CS: Circuit Switched, áramkörkacsolt alrendszer SGSN: Serving GPRS Suort Node, csomagkacsolást végez GGSN: Gateway GPRS Suort Node, csomagkacsolást végez és egyben átjáró más hálózatok felé (l. Internet) PS: Packet Switched, csomagkacsolt alrendszer RNC SGSN GGSN 15

16 Dulexitás kezelés UMTS-ben Feladat: fel- és lefele irányú adatok elkülönítése Alkalmazott lehetséges megoldások: időben frekvenciában Mindkettőt használják UMTS-ben (de nem egyszerre) FDD: Frequency Division Dulexing nagyobb frekvencia a lefele irányban (nagyobb csillaítás nagyobb teljesítmény kell) TDD: Time Division Dulexing előnye: a fel/letöltés aránya dinamikusan változtatható az aktuális igények függvényében (ing-ong módszer, ld. korábban) 16

17 Hívásátadás áramkörkacsolt esetben GSM: kemény hívásátadás (hard handover) egyik illanatban egyik bázisállomással kommunikál a mobil állomás, kisvártatva a másikkal az átadás olyan gyors, amilyen gyors csak lehet cellaváltás hiszterézissel: egy határon tévelygő mobil esetében se legyen sok felesleges átadás 17

18 UMTS uha átadás UMTS: uha átadás (soft handover) egyszerre több bázisállomással tart fenn kacsolatot max. 3-mal egy időben a le irányú adatot minden bázisállomás sugározza (ugyanazt), a mobil így többsször is megkaja az egyik adótól érkezett és esetlegesen elveszett információ így más forrásból ótolható a fel irányú adatot minden bázisállomás veszi (ugyanazt) a hálózat összerakja a különböző bázisok által vett adatot, így egy esetleges adatvesztés az egyik cellában könnyen korrigálható a többiben vett adatokkal ez az állaot viszonylag sokáig is tarthat Azért is fontos a redundancia, mert é a cella legszélén vagyunk, ilyenkor a legrosszabb a vétel igaz, ez némi sávszélesség-azarlással jár (redundáns adás) Mindezt a kódosztás teszi lehetővé: azonos a frekvencia a szomszédos cellákban 18

19 UMTS átadási tíusok 1 2 Node B RNC Node B Node B Node B RNC RNC 3G MSC 3G MSC 1. Node B-n belül, szektorok (cellák) között (intra-node B) 2. Inter-Node B, Intra-RNC 3. Inter-RNC, Intra-MSC 4. Inter-MSC 5. 3G 2G uha vagy kemény csak kemény BSC 2G MSC (2G 3G nem olyan kritikus) BTS 19

20 UMTS teljesítményszabályozás Valójában nem tökéletes az alkalmazott kód ortogonalitása Emiatt más egy adott mobil eszköz jelét figyelve a bázisállomáson a többi mobil jele zajként jelentkezik (lefele irányban nincs ilyen gond, hiszen abban a frekiben/időben csak a Node B ad) Ezért az kell, hogy minden mobil jele kb. egyforma teljesítménnyel érkezzen a Node B-hez különben az erősebb jel elnyomja az összes gyengébbet Megoldás: Node B felszólítja a mobil eszközt a teljesítmény növelésére/csökkentésére 1500/sec gyakorisággal(!) Különben l. egy éület mögül előbukkanó, eddig erősen adó eszköz tönkretenné az egész cella kommunikációját GSM-ben is van ilyen: tele kímélésére, élettani kockázat csökkentésére más, távoli de azonos frekin üzemelő cellákkal való interferencia elkerülésére 2/sec gyakorisággal (!) 20

21 Teljesítményszabályozás uha átadásnál A mobil eszköz a uha átadásban lévő Node B-ktől különböző arancsokat kahat: teljesítmény csökkentése / szinten tartása / növelése A szabály: Ha bárki csökkentésre utasítja, csökkent. Amúgy ha bárki szinten tartásra utasítja, szinten tart. Amúgy növel. Az ötlet: minimális teljesítménnyel adni, hogy ne tegyük egy cellában sem tönkre a kommunikációt. Viszont a fenti algoritmusból következik, hogy legalább egy cellában a teljesítmény elégséges lesz. 21

22 UMTS cellalégzés Több felhasználó egy cellában nagyobb háttérzaj kisebb cella használható csak effektíven a távol lévő állomások kirekesztődnek a cella mérete változik a forgalomtól függően a cella lélegzik megnehezíti a cellatervezést 22

23 HSPA HSPA (High-Seed Packet Access, nagy sebességű csomagkacsolt hozzáférés) UMTS továbbfejlesztése nagyobb adatsebességek felé 2 rotokoll közös neve: HSDPA (High Seed Downlink Packet Access, nagy sebességű csomagkacsolt letöltési hozzáférés) akár 14,4 Mb/s ma Magyarországon elérhető: 0,6 1,3 Mb/s htt://index.hu/tech/mobil/hsda1005/ HSUPA (High Seed Ulink Packet Access, nagy sebességű csomagkacsolt feltöltési hozzáférés) akár 5,6 Mb/s közeli jövő A még nagyobb sebességű hozzáférések már jelenleg is fejlesztés alatt vannak ( Mb/s...) 23

24 A jövő: teljesen IP alaú UMTS gerinch. Jelenlegi UMTS gerinc: ATM Jövő: All IP core network: HSS Internet UE Node B SGSN GGSN MGW PSTN/ISDN R-SGW Teljesen IP alaú mobil h. GGSN Nem teljesen IP alaú mobil h. HSS: Home Subscriber Server (honos előfizetői szerver): HLR, VLR, stb. együtt R-SGW: Roaming-Signalling Gateway, barangolás-jelzés átjáró MGW: Media Gateway, médiaátjáró IP gerinc előnyei: IP gerinc hátrányai: több szolgáltatás újabb konverzió szükséges rugalmasabb olcsóbb megbízhatóság még nem magától értetődő 24

26 Műholdas mobil információközlő hálózatok Bázisállomás a műholdon Előny: nagy földfelszíni lefedettség Hátrány: drága nagyobb késleltetés nagyobb teljesítmény 26

27 Műholdas mobil inf.közlő hálózatok Hálózattíusok: SzgH és TH is Hálózatrészek Gerinchálózat rögzített állomások, nagy sebesség Hozzáférési hálózat mozgó állomások, kisebb sebesség ezt nézzük most 27

28 Műholdályák Pálya alakja: kör elliszis (egyik gyújtóontban a Föld) Pályamagasság elvileg bármi azonban: légkörön kívül kell: az fékezne nem hirtelen ér véget, nehéz meghatározni a tetejét (edig ez jogilag is érdekes lehet) kb km van Allen sugárzási övek elektromosan töltött részecskékből belső: 3200 km körül (roton) külső: km körül (elektron) túl nagy magasság felesleges 28

29 Műholdályák 3 főbb műholdmagasság: LEO: Low Earth Orbit, alacsony magasságú álya km MEO: Medium Earth Orbit, közees magasságú álya km GEO: Geosynchronous Earth Orbit, geostacionárius álya km (kb.= km) egyenlítő felett, csak egy ilyen álya! 29

30 Műholdályák Magasabb ályák előnyei: kevesebb műhold elég Magasabb ályák hátrányai: nagyobb késleltetés nagyobb csillaítás, nagyobb teljesítmény kell GEO ezeken felül: nem kell antenna követés nincs műholdváltás de: sarkok nem fedhetőek le 30

31 Inmarsat International Maritime Satellite Telecommunication, nemzetközi tengerészeti műholdas rendszer 1979 óta később szárazföldi is 4 db GEO műhold, globális lefedés Különféle végberendezések, de általában nem kézben hordozhatóak Beszédátvitel Adatátvitel: max. 492 kb/s 31

32 Iridium Kézi készülékek, elsősorban beszédátvitelre Adatátvitel: 2,4 kb/s 66 db műhold eredetileg: irídium, 66: diszrózium globális lefedettség 780 km: LEO március (másfél év után): csőd földi hálózatok túl gyorsan fejlődtek, rossz marketing egy év után, Pentagon segítségével újra üzemben Rádiócsillagászatot zavarja OH molekulák emissziós frekvenciája melletti fr. 32

33 Kézi készülékek, elsősorban beszédátvitelre Adatátvitel: 9,6 kb/s 48 műhold 1414 km -- LEO A kézi készülékek ha lehet, földi rendszert (l. GSM) használnak ha nem, akkor a műholdast Nincs műhold-műhold kacsolat: Globalstar Iridium 33

34 Thuraya GSM/műholdás átkacsolás Kézi készülékek, elsősorban beszédátvitelre Adatátvitel: 9,6 kb/s, max 144 kbs -- csomagkacsolt 1 db GEO műhold!!! közont: Egyesült Arab Emirátusok 99 országot fed le 34

36 Mobil, zárt célú hálózatok ***Ezt és a következő diát idő hiányában nem adtam le. Ezért nem vizsgaanyag, de bennhagyom a fájlban, hátha valakit érdekel.*** Készenléti szolgálatok részére: tűzoltók, rendőrség, mentők, katasztrófavédelem, stb. (Részben rofesszionális olgári alkalmazások, l. szállítmányozás) Megnövelt igények a GSM-mel szemben: kisebb hívásblokkolás hívás rioritások (sürgős hívások) diszécserszolgáltatás csoorthívás (automatikus fogadás és kihangosítás) nagy megbízhatóság nagy adatbiztonság 36

37 Mobil, zárt célú hálózatok Hazánkban is alkalmazott megoldás: TETRA (Terrestrial Enchanced Trunked Radio, földfelszíni emelt szintű trönkölt rádió): A Motorola és a Nokia megoldása. Ez bizonyult a legjobbnak MHz okt. 17. Az Egységes Digitális Rádiótávközlő Rendszer (EDR) tendert megnyeri a T-Com/T-Mobile (+EADS Secure Networks, Nokia Tetra jogutódja) december: működő országos hálózat 37