Hálózati architektúrák és rendszerek. Nyilvános kapcsolt mobil hálózatok (celluláris hálózatok)

Átírás

1 Hálózati architektúrák és rendszerek Nyilvános kapcsolt mobil hálózatok (celluláris hálózatok) 1

2 A tárgy felépítése (1) Lokális hálózatok. Az IEEE architektúra. Ethernet Csomagkapcsolt hálózatok IP-komm. Az Internet Végpontok közötti kapcsolat, transzport-prot., TCP, UDP A TCP/IP protokoll-család. Alkalmazási példa: VoIP Áramkörkapcsolt hálózatok PSTN, ISDN, 2. generációs cellás mobil-rendszerek Kapcsolat-orientált hálózatok SDH Synchronous Digital Hierarchy ATM Asynchronous Transfer Mode MPLS Multi-Protocol Label Switching 3. generációs mobil rendszerek Optikai kommunikáció Alapok Wavelength routing és csomagkapcsolás 2

3 A tárgy felépítése (2) Hozzáférési hálózatok: xdsl FTTx, xpon CATV Szélesávú vezetéknélküli hozzáférés (BWA Broadband Wireless Access) Áttekintés PAN, Bluetooth WiFi WiMAX Újgenerációs hálózatok (NGN Next Generation Networks) A távközlési megközelítés NGN a mobil világban: 4G vagy B3G (Beyond-3G) Tervezési kérdések Összefoglalás, tartalék 3

4 Celluláris hálózatok Rádiókommunikáció: Csaknem egyidős a vezetékes távközléssel Az elektromágneses hullámok szabadtéri terjedésén alapul Különböző frekvenciasávok szolgálnak rádiótávközlésre Mobil kommunikáció: kb. ötven éves A celluláris elv megjelenéséig igen korlátozott alkalmazhatóság Mobil kommunikáció a celluláris (cellás) elv alkalmazásával kb. 25 éve jelent meg az első generációjuk Ma a harmadiknál tartunk A mobil rendszerek generációi: 1G: az első analóg rendszerek (nálunk: NMT450) 2G: GSM, itt tartunk ma 2.5G: feljavított 2G 3G: bevezetés alatt 4

5 A mobil rendszerek generációi 2G Digitális beszédtovábbítás Jó minőség Új szolgáltatások és alkalmazások, amelyek nem voltak elérhetők az analóg rendszerekben: SMS, fax, adatátvitel Roaming 2.5G Intelligens hálózati szolgáltatások Nagysebességű (a 2G-hez képest) adatátvitel 3G Egységes architektúra Adatátvitel-orientáltság Csomagkapcsolt, IP-alapú kommunikáció támogatása 5

6 A cellás hálózatok elvi felépítése Alapelemek Mobil terminál Bázisállomás (BS): a mobil terminálok ezzel kommunikálnak közvetlenül Cella: a BS egy adó-vevője által lefedett terület Kapcsolóközpont, vagy csomagtovábbító központ, Átjárók: a mobil hálózat kapcsolódási pontja külső hálózatok felé BS átjáró PSTN cellák kapcsolóközpontok Internet 6

7 Cella-típusok (1) Makrocella Nagy terület lefedésére (1-35 km) Ritkán lakott területek, gyorsan mozgó felhasználók Külvárosok, kisvárosok, falvak és nem lakott területek lefedése Kétszintű hálózatok esetén a felső szint biztosítása Nagy adóteljesítmények (1-20 W), nagy G 7

8 Cella-típusok (2) Mikrocella Kis terület lefedése (0.2-1 km) Sok felhasználó, lassabb mobilok (városok, külvárosok városközpontja) A bázisállomás antennája épületek tetőszintje alatt Kis teljesítmény ( W), nagy kapacitás Pikocella Főként beltéri lefedésre, ill nagyon nagy forgalmú területek lefedésére (nagy kapacitás) Kis teljesítmény (<100 mw), antennák beltérben 8

9 Cella-topológia (1) Omni cella Körsugárzó antenna Elvileg kör alakú (a valóságban sík, lakatlan vidéken jó közelítéssel ilyen a cella) Gyakorlatban a terep miatt szabálytalan alakú 9

10 Cella-topológia (2) Szektorantennák Egy bázisállomással több cella kialakítására Létező cellák feldarabolására 60, 90, 120 fok Antennánként külön-külön kezelve Különböző méretű szektorok 10

11 Cella-topológia (3) Hierarchikus cellák Nagy forgalmú területek lefedése több cellával A cellák természetesen más frekvenciákat használnak Egy bázisállomás több cellát is kiszolgál 11

12 Cella-topológia (4) Hierarchikus cellák, esernyő-cella Egy nagy cella több kisebbet is lefed Különösen mikro-, pikocellás környezetben A gyorsan mozgó felhasználók kiszolgálására A gyakori handoverből eredő problémák kiküszöbölésére 12

13 Cella-modellek Hatszögletű cella Modell, a gyakorlatban nincs ilyen Hatszögekkel lefedhető a sík Jól közelíti az omni cellákat Közelítő számításokhoz Elméleti modellekhez Jól szektorizálható, három szektor K faktor meghatározásához (frekvenciaújrafelhasználás) 13

14 Frekvencia-újrafelhasználás Frekvencia újrafelhasználás: a teljes rendelkezésre álló frekvenciasávokból csak néhányat használnak egy cellában Ugyanazokat a frekvenciákat ismét használják egy lehető legtávolabbi cellában Sokkal több felhasználó szolgálható ki rendelkezésre álló frekvenciák f1 f2 f3 f3 f1 f2 f3 f1 f1, f2, f3 max. n felhasználó kb. ugyanakkora terület f2 f1 f2 f3 f1 f2 14

15 A rádiófrekvenciás hullámtartomány, frekvenciasávok Elektromágneses hullámok: közel 0 Hz-től Hz-ig Itt: hanghullámok, rádióhullámok és fény Rádióhullámok: kb. 10 khz GHz Itt vezetett hullámok is Rádióhullámok: vezetés nélküli terjedés A rádiófrekvenciás hullámtartomány felhasználása: ITU-R a Nemzetközi Rádiószabályzat-ban (IRR) rögzítette 15

16 A rádiófrekvenciás hullámtartomány felosztása az IRR szerint Műsorszórás Állandóhelyű szolgálatok Mozgó szolgálatok Műholdas szolgálatok Frekvencia és órajel Rádió-navigáció Rádiólokáció Rádiócsillagászat Amatőr sávok Ipari, tudományos és orvosi szolgáltatok (ISM-sáv: Industrial, Scientific and Medical Services 16

17 Frekvenciasávok VLF very low frequency khz LF low frequency khz MF medium frequency 0,3 3 MHz (100 m 1 km) HF high frequency 3 30 MHz ( m) VHF - very high frequency MHz (1 10 m) UHF - ultra high frequency 300 MHz 3 GHz (10 cm 1 m) SHF super high frequency 3 30 GHz (cm-hull.) EHF extra high frequency GHz (mmhull.), eddig terjed az IRR-szabályozás ma, GHz (sub-mm. hull.) 17

18 Jellegzetes terjedési módok Közvetlen hullám Földről reflektált hullám Felületi hullám Diffrakciós terjedés Troposzférikus szóródás Ionoszférikus visszaverődés 18

19 A rádiócsatorna tulajdonságai Csillapítás: tereptől, időjárástól, távolságtól, frekvenciától, antenna magasságoktól, stb. függ Fading: véletlen ingadozás a vett jel teljesítményében (amplitúdójában). Sztochaszikus modellek Zaj: termikus zaj, környezetből származó zaj. Sztochasztikus modellek, a termikus zajra a fehér- (Gauss-i) zaj-modell Interferencia: azonos csatornás, szomszédos csatornás, rendszerek közötti 19

20 Terjedési modellek (1) Empirikus modellek: nagy számú mérés alapján vázolt egyenletek, görbék alapján; gyors, könnyen számolható, nem túl pontos Determinisztikus modellek: az EM hullámok terjedését, diffrakcióját, stb. számoló modellek; szükség van a környezet pontos ismeretére; nagyon nagy számítási kapacitást igényelnek Szemi-determinisztikus modellek: determinisztikus modellek módosításával, egyszerűsítésével, mérésekhez hangolásával készülnek 20

21 Terjedési modellek (2) Makrocella Kétutas terjedési modell (determinisztikus) Kettős meredekségű modell Mikrocella Kettős meredekségű modell (empirikus) Walfish-Ikegami modell (empirikus): városi területeken használt (utcák lefedettségére) házak magassága, utca szélessége tetők feletti terjedés és diffrakció Beltéri modellek 21

22 Terjedési modellek (3) Kétutas terjedési modell h 1 Reflektált hullám Direkt hullám d 1 d 0 ϕ d d d d = d 2 ϕ h 2 l 1 Alapvető eredmény (elméleti): hh PV PA d l

23 Az európai 2G-rendszer GSM GroupeSpécialeMobile Pán-európai nyilvános cellás mobil rendszer tervezésére hozták létre Kifejlesztése a 80-as években, szabvány az ETSI-ben 1990-ben A 900 MHz-es sávban UK: DCS1800 GSM-alapú, de 1.8 GHz-es sáv a nagyobb felhasználó-sűrűség miatt 23

24 A GSM rendszer struktúrája 24

25 Mobil állomás Fizikai elemek Rádió adó-vevő, vezérlő, kijelző stb. Rádiós interfész ( air interface ) és felhasználói interfész SIM-kártya Subscriber Identity Module Mobilitás, függetlenül a végberendezés típusától és helyétől Tartalmazza az IMEI-t (International Mobile Equipment Identity) és az IMSI-t (International Mobile Subscriber Identity) 25

26 BSS bázisállomás-alrendszer Bázisállomási adó-vevő (BTS) és Bázisállomás-vezérlő (BSC) Specifikált interfészen kommunikálnak BTS: a cellán belüli rádiókommunikáció biztosítása BSC: Egy v. több BTS-t vezérel Rádiócsatornák felépítése, frekvenciaugrások kezelése Kapcsolat a Mobil Kapcsolóközpont (MSC) felé 26

27 Hálózati alrendszer (Network Subsystem) MSC hasonló a PSTN v. ISDN központokhoz, plusz minden, ami a mobil előfizetők kezeléséhez kell: Regisztráció, authentikáció, helyzet-meghatározás, handover, roaming stb. Kapcsolat a közcélú földi távközlési hálózatokkal (PSTN, ISDN) Home Location Register (HLR) Összes admin info az előfizetőkről, a pillanatnyi helyük is Tipikusan 1 HLR hálózatonként, de elosztott is lehet Visitor location register (VLR) Válogatott információ a HLR-ből, ami a hívásvezérléshez és előf. szolg.-hoz szükséges A mobilt az aktuális területhez tartozó VLR vezérli Általában kombinálva van az MSC-vel, az MSC ebből dolgozik AUC authentikáció, a SIM-kártyák titkos kulcsait tart. EIR a hál.-ban jogosan használt készülékek listája 27

28 Rádiókommunikáció ITU: MHz (uplink, mobil bázisállomás) és MHz (downlink) => 2*25 MHz Megosztás: TMDA/FDMA kombinációjával FDMA: 124 db 200 khz-es hordozó frekvenciasáv Minden hordozó frekvenciasáv 8 időrésre van osztva, TDMA keretekben (1 keret: 4,615 ms) A TDMA keretek multikeretekbe vannak csoportosítva, 26 ill. 51-es multikeretek vannak 28

29 Kommunikáció a GSM rendszerben Forgalmi csatornák és vezérlő csatornák A forgalmi csatornák képességét az egy felhasználóra jutó sávszélesség (hordozó fr. sáv és időrés) határozza meg Kis sebességű adatátvitel (kb. 13 kbit/s), fax átvitel. Modem szükséges, kapcsolatfelépítési idő hosszú. A csatorna nincs jól kihasználva (áramkörkapcsolt), nem gazdaságos Vezérlő csatornákon: SMS. Szerény mennyiségű adat, de gazdaságosan 29

30 A cellás mobil rendszerek fejlődése: a 2.5G-rendszerek 2G 2.5G 3G CdmaOne 14.4kbit/s TDMA GSM 14.4kbit/s GPRS 115kbit/s EDGE 384kbit/s PDC 9.6kbit/s UMTS kbit/s 2.5G : a 2G-hálózatokon történt fejlesztésekkel létrejött új megoldások összefoglaló neve 30

31 2.5G-rendszerek: HSCSD, GPRS, EDGE HSCSD HighSpeedCircuitSwitchedData 4 db 14,4 kbit/s-os időrés összekapcsolásával 57,6 kbit/s-os sávszélesség biztosítása Előny: kevés változtatás a GSM-rendszerben (csak sw) Hátrány: megmaradt az áramkörkapcsolt elv HSCSD hívások: 1..4 csatornán Beszédhívások esetén redukálható kevesebb csatornára Jó megoldás induló szolgáltatóknak, ahol még sok a szabad kapacitás Könnyű kapcsolódás a PSTN/ISDN-hez 31

32 2.5G-rendszerek: HSCSD, GPRS, EDGE GPRS General Packet Radio Service Csomagkapcsolt Dinamikus rádiócsatorna-foglalás (1...8 TDMA időrés, többszörös hozzáférés) Többféle kódolási módszer a rádiócsatornán, többféle sebesség 9 kbit/stól akár 384 kbit/s-ig Leggyakrabban max. 115 kbit/s, átlagosan 40 kbit/s Új hálózati elemek beintegrálását igényli 32

33 EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution Ericcson fejlesztés, eredetileg olyan szolgáltatók számára, amelyek nem nyertek frekvenciákat a 3G (UMTS) számára UMTS-közeli sebességek a meglevő GSM/GPRS hálózat és frekvenciasávok alkalmazásával Új modulációs módszer a rádiócsatornán (QAM, szemben a GPRS-ben és HSCSD-ben alkalmazott GMSK modulációval), ezzel 48 kbit/s sebesség minden GSM időrésben Modulációváltás: hatékonyabb módszer a BS környezetében, kevésbé hatékony, de zavarvédettebb attól távolabb Megvalósítás: meglevő rendszereken és fr. sávokkal, de komoly hw-sw fejlesztésekkel 33