MOBIL HÁLÓZATOK ALAPJAI (Simon Vilmos fóliái alapján) Médiakommunikációs hálózatok Média-technológia és kommunikáció szakirány 2013. május 10., Budapest Bokor László kutatómérnök BME Híradástechnikai Tanszék bokorl@hit.bme.hu
Kivonat Mobilitás fogalma Mobilitás kezelés Mikro-, Makromobilitás Location Area tervezés Cellás hálózatok alapelvei 1G 2 G (GSM)
Bevezető A jövő kommunikációs hálózatainak legfontosabb elemei Átjárhatóság a különböző hálózatok között Mobilitás!! Szélessávú multimédia szolgáltatások
Kihívás Ubiquitos (mindenütt jelenlevőség): új típusú mobil eszközök milliárdjai (szenzorok)+szélessávú multimédia Megoldás: hatékony mobilitáskezelés skálázható rendszerek
Mobilitás Mozgó terminálok száma az utóbbi években ugrásszerűen megnőtt mozgékonyság hatékony kezelése (mobility management) 1990-ben 10 millió analóg FM cellás mobil felhasználó volt a világon Ma a mobil felhasználók száma meghaladja a két milliárdot (több mobil mint PC)
Mobilitás Mobilitás alatt azonban nem csupán mobil állomásokat, hanem egész mobil hálózatokat is érthetünk Pl: a kábelezés csökkentése érdekében a járművek elektronikus mérő és szabályzórendszereinek összekötése LAN-al Így egy kis mozgó hálózat lesz, ami kapcsolódhat egy külső forgalomirányító rendszerhez Nagyban: egy óceánjáró hálózata mozoghatna például műholdak alatt, egy ilyen hálózat azonban már számos router-t is kell tartalmazzon, mozgó topológiájú hálózatot eredményezve
Mobilitásból eredő problémák 1. Hálózati topológia vs Földrajzi viszonyok A hálózati cím azonosítja a mobil terminál topológiai kapcsolódását, de nem a földrajzi helyzetét is (pl. IP címek) Pl. Ha változik is a mobil földrajzi helye, a hálózati címe ettől még változatlan maradhat Mobilitás alapelve, hogy bárhol kommunikálhatunk: a csomagok célbajuttatása a hálózati címen keresztül történik, ezért össze kell rendelni a kettőt Ezt az összerendelést biztosíthatja a rendszer résztvevő entitásoknak maguknak kell megoldaniuk Ez a lényege a mobilitás kezelésnek!
Mobilitásból eredő problémák 2. A mobil csak az idő egy részében kapcsolódik a hálózathoz Mobil hálózatokban, ahol felhasználók milliói vannak komoly gond lehet, ha nem kérdezhetik le kapcsolódás után a szolgáltatás szerverereiket skálázhatósági okok miatt Ilyen környezetben hatásos adattárolásra és továbbításra van szükség
Mobilitásból eredő problémák 3. Az adatot el kell juttatni a mozgó címzetthez Ha adott a földrajzi-topológiai cím összerendelés tárolás/továbbítás, ez mellett szükség van még hatékony routingra, vagyis a routing táblák gyakori frissítésére (gyakrabban mint ahogy a mobil cellát vált)
Példa: routing és mobilitás Mobil környezetben komoly problémát jelent: a terminálok mozgása linkeket hoz létre és szüntet meg dinamikusan, gyakrabban mint pl. a meghibásodások okozta változások A routing információt gyorsan kell megosztani, hogy a routing táblák és a tényleges fizikai hálózati topológia konzisztens legyen
Mobilitásból eredő egyéb gondok Biztonság Minden alkalommal amikor új kapcsolodási pontot létesít a mobil, hitelesítenie kell magát Titkosítás és biztonsági megoldások: többletterhelés és költségek Skálázhatóság Több routing információ gyakrabban Több számítás a routerekben Több jelzési üzenet
Mobilitás támogatás A mobilitás kezeléséhez szükség van: Egy hely-független címre a mobil termináloknak Kompatibilitás az IP routing-al Hatékony mobilitás kezelési protokollokra
Mobilitás kezelés A mobilitás kezelése alapvetően két feladat: hívásátadás-kezelés(handover Management) helyzet-nyilvántartás (Location Management)
Helyzet-nyilvántartás(Location Management) Két feladata van: Helyzet-frissítés (Location Update): mobil terminálok követése Paging: mobil terminálok megkeresése Fontos tervezési feladat a kettő közötti kompromisszum megtalálása
Paging A mobil terminál megtalálása egy broadcast (üzenetszórást ) üzenet kiküldésével lehetséges Szinte alig, vagy egyáltalán nem terheli a hálózatot jelzés üzenetekkel amikor nincs adatforgalom Viszont nagyméretű - broadcast - keresést igényel az adatátvitel kezdetekor
Hívásátadás (handover) Két típusa: cellán belüli handover: felhasználó nem hagyja el egy adott cella lefedettségi területét de megváltoztatja az eddig használt rádiós csatornát csökkentve a csatornák közötti interferenciát 2.rétegben kezelik cellák közötti handover mobil terminál cellák között vándorol szükség van felsőbb réteg támogatására is
Konvergencia: All IP A konvergencia kulcsa az IP protokoll: összekapcsolja a különböző célokra, különböző technológiákkal és protokollokkal megvalósított hálózatokat IP cím egyszerre azonosító és helymeghatározó (lokátor) is Ennek feloldása többféleképpen történhet Otthoni cím mellett ideiglenes cím is (otthoni ügynök bevezetése) Új protokoll ennek kettéválasztására
Handover gondok IP esetén A 3G és 4G rendszerekben anytime and anywhere kommunikáció csomagkapcsolás mikro, illetve pikocellás hálózatok Másik fontos jelszó always on : akkor is cellaváltást eredményez, ha a mobil hoszt idle (tétlen) állapotú Minden handover jelzésátvitelt igényel a hoszt és az otthoni ügynöke között, ami időigényes Ez az overhead arányos a felhasználók számával mobilitásuk fokával az igényelt sávszélesség ugyanakkor nem játszik szerepet
Handover gondok IP esetén A nagy körülfordulási idő és a vezérlési overhead miatt néhány másodpercre megszakad a kapcsolat minden IP csatlakozási pont váltáskor Ez komoly gondot jelent pl. a valós idejű alkalmazásoknál
Cellák közötti handover Megoldás: a hálózat domainekre történő felosztása A cellákat adminisztratív egységekbe vonjuk össze (pl. Location Area), ezen belüli cellaváltás nem halad fel a struktúra csúcsáig Így a domainen belül történő cellaváltás nem minősül cellaváltásnak
Domainek alkalmazása Így két handover: intra-domain (makromobilitási domainen belüli): mikromobilitási protokollok kezelik inter-domain: két domain között mozog a mobil, makromobilitási protokollok felelősek érte
Mikromobilitás All IP megközelítés előretörése: mikro mobilitás protokollok alkalmazása a jövő mobil rendszereiben adat, jelzés, vonalkapcsolt szolgáltatások, stb. mind IP csomagokban halad Jelenleg a GPRS rendszerben saját protokoll gondoskodik a mikro mobilitás kezeléséről Harmadik generációs mobil rendszerekben a mobilitás kezelése már teljes egészében az IP feladata, ezért a mikro mobilitás kezelésére alkalmas protokollok nélkülözhetetlenek
Mikromobilitási protokollok A cellaváltásokat lokálisan kezelik Így a felhasználók domainen belüli mozgását elfedik a makromobilitási protokoll elől A regisztrációs és a jelzési üzenetek legfeljebb a domain gyökér routeréig jutnak el Hátrányuk: általában nem skálázható megoldások, így csak korlátozott számú felhasználó kezelésére képesek Hierarchikus módszerekkel oldják meg, melyekben együtt alkalmazzák a makro-, és a mikromobilitás kezelő protokollokat
Mikromobilitási protokollok felosztása Proxy Agent Architectures (PAA): Hierarchikus szervezésű, ügynök alapú gyorsítás pl. Hierarchical Mobile IPv6 (HMIPv6), Regional Registration (RegRegv6) Locally Enhanced Routing Schemes (LERS) a domainen belül egy módosított routing algoritmust használnak tipikusan a hálózati rétegben, az IP protokollt kiegészítve működnek Per Host Forwarding: speciális útvonal-nyilvántartási protokollt használnak adott idő után elévülő (soft-state) bejegyzések az útvonalválasztók routing tábláiban pl. Cellular IP, HAWAII Mobile Ad-hoc Network: ad-hoc routing protokollt használnak a mikromobilitás kezelésére Multicast alapú
További felosztásuk Proaktív vagy reaktív: mindig ismeri a mobil terminál tartózkodási helyét vs. meg kell keresni (paging alkalmazása) mikor adatot szeretnénk hozzá eljuttatni (broadcast, multicast) Gateway centrikus vagy hop-by-hop: a gateway router pontosan tudja hol helyezkedik el a mobil vs. mindig csak azt tudják a routerek, hogy a velük kapcsolatban lévő routerek közül melyiknek kell küldeni egy adott mobilnak címzett csomagot
Mikromobilitási domain tervezése A lecsökkent méretű rádiós cellák (növelve a cellaváltások számát) jelentősen megnövelik a jelzésforgalmat Mobil hálózatokban Location Area: cellák csoportosítása adminisztratív egységekbe Így a LA egységen belül történő cellaváltás nem minősül cellaváltásnak
A Location Area optimális mérete Felmerül a kérdés: mekkora méretű legyen a LA? Ha minél több cellát egyesítünk egy LA-ban, akkor lecsökken a regisztrációs üzenetek száma (kevesebb cellaváltás) De viszont bejövő hívás esetén a mobil felhasználó megtalálása okoz majd gondot (több paging üzenet)!! Kompromisszum a 2 szempont között
Cellás mobil hálózatok Áttekintjük a cellás hálózatok: alapelveit evolúcióját, különös tekintettel a manapság is népszerű rendszerekre mobilitás kezelési elveit generációnként jövőbeli fejlődési irányait
Cellás mobil 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 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, ma a legelterjedtebb 2.5G: feljavított 2G 3G: terjedésben
A cellás hálózatok generációi 1G Analóg Csak beszédszolgáltatás 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
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 kapcsolóközpontok cellák Internet
Cella-típusok (1) makrocella: nagy terület lefedésére (1-35 km) ritkán lakott területek, gyorsan mozgó felhasználók nagy adóteljesítmények (1-20 W) saját tornyon, esetenként háztetőkön olyan magasságban, hogy se környező épület, se a terepviszonyok ne akadályozzák a sugárzását
Cella-típusok (2) mikrocella: kis területet lefedése (0.2-1 km) sok felhasználó, lassabb mobilok (városok, külvárosok városközpontja) a bázisállomás antennája épületek tetőszintje alatt kis teljesítmény (0.01-5 W), nagy kapacitás pikocella: főként beltéri lefedésre, ill nagyon nagy forgalmú területek lefedésére (nagy kapacitás) kis teljesítmény (<100 mw), antennák beltérben
Cella-topológia (1) hatszögletű cella: gyakorlatban nincs ilyen hatszögekkel lefedhető a sík jól közelíti az omni cellákat közelítő számításokhoz, elméleti modellekhez jól szektorizálható, három szektor K faktor meghatározásához (frekvencia-újrafelhasználás)
Cella-topológia (2) omni cella: körsugárzó antenna elvileg kör alakú (a valóságban sík, lakatlan vidéken jó közelítéssel ilyen a cella) gyakorlatban a terep miatt szabálytalan alakú
Cella-topológia (3) szektorantennák: egy bázisállomással több cella kialakítására létező cellák feldarabolására 60, 90, 120 fok antennánként külön-külön kezelve különböző méretű szektorok
Cella-topológia (4) hierarchikus cellák: nagy forgalmú területek több cellával lefedése a cellák természetesen más frekvenciákat használnak egy bázisállomás több cellát is működtet
Cella-topológia (5) 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
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 kiszolgálható rendelkezésre álló frekvenciák f1, f2, f3 max. n felhasználó max több mint 4*n felhasználó kb. ugyanakkora terület f1 f2 f2 f3 f1 f3 f1 f2 f3 f2 f3 f1 f1 f2
Cluster A lefoglalt frekvenciasáv cellacsoportok (clusterek) között van elosztva Az elérhető rádiócsatornák teljes számban használhatóak minden egyes cellacsoportban az újrafelhasználás miatt A clusterben résztvevő cellák száma: a lefedett területen folyamatosan ismételhető legyen Egy tipikus cluster 4, 7, 12 vagy 21 cellát tartalmaz Kevesebb cella a clusterben: annál több csatorna jut egy cellának, így az egyes cellák kapacitása nőni fog Clusterek túl kis mérete esetén: a szomszédos cellák között interferencia jöhet létre
A rádiófrekvenciás hullámtartomány, frekvenciasávok Elektromágneses hullámok: közel 0 Hz-től 10 23 Hz-ig Itt: hanghullámok, rádióhullámok és fény Rádióhullámok: kb. 10 khz...300 GHz Itt vezetett hullámok is Rádióhullámok: vezetés nélküli terjedés A rádiófrekvenciás hullámtartomány felhasználása: ITU-R a Nemzetközi Rádiószabályzat-ban (IRR) rögzítette
A rádiócsatorna tulajdonságai Csillapítás: tereptől, időjárástól, távolságtól, frekvenciától, antenna magasságoktól, stb. függ Fading: véletlen ingadozás a vett jel teljesítményében (amplitúdójában), sztochasztikus modellek Zaj: termikus zaj, környezetből származó zaj. Sztochasztikus modellek, a termikus zajra a fehér- (Gauss-i) zaj-modell az adott sávban konstans teljesítménysűrűségű Interferencia: azonos csatornás, szomszédos csatornás, rendszerek közti Cél: bithibaarány adott határ alatt maradjon, tipikusan 0.001 alatt
Terjedési modellek 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
Terjedési modellek (5) Walfish-Ikegami modell mikrocellák, városi környezet két összefüggés: rálátásos (Line of Sight, LOS) és nem rálátásos (NLOS) összeköttetésekre LOS (utcákban), kanyon hatás, a csillapítás számítása: L P =42.6 + 20log(f) + 26 log(d) NLOS: L P = 32.44 + 20 log(f) + 20log(d) + L rsd + L msd L rsd : az utca körüli épületek tetejének szórása L msd : a távolabbi tetőkön való szórás ezek számítása: átlagos utca szélesség, átlagos épület magasság, utcák irányszöge az antennához képest, stb
Mobilitás kezelés feladatai cellás rendszerekben Felhasználó kezelés: regisztráció paging helyzetfrissítés handover, rerouting authentikáció Rádiós erőforrás kezelés Roaming
Rádiós erőforrás kezelés RRM (Radio Resource Management): jelerősség, bázisállomás (BS) választás és váltás RSSI (Received Signal Strength Indicator) [dbm] <-100dBm: nincs, vagy instabil kapcsolat. Szolg. területen kívül, azonnali BS váltás -90dBm ~ -100dBm: kommunikáció lehetséges, de hamarosan egy nagyobb RSSI-vel mért BS-hez kell váltani >-90 dbm: kommunikáció lehetséges, a jelenlegi BS megfelel
Cellás rendszerek evolúciója
1G Analóg rendszer Korlátozott kapacitás, FDMA, hangátvitel, sávon belüli jelzésrendszer Nordic Mobile Telephone (NMT) pl. 450Mhz Westel 1985-ben 110 ezer előfizetővel a világ legnagyobb mobil hálózata lett (Nokia, Ericsson) Már kevés helyen használják, előnye a nagy hatótávolság Pl. Izlandon a halászok
Mobilitás kezelés az 1G rendszerekben 1G rendszerek támogatják: Mobil terminál regisztrációja Autentikáció Paging Feltételes roaming RRM Mobile Telephone Switching Office (MTSO) kezelte az összes mobilitással kapcsolatos feladatot Csatornán belüli jelzésrendszerrel küldik a regisztrációs, autentikációs és paging üzeneteket (handover esetén zaj) Egyszerű autentikáció de lehallgatható
Mobilitás kezelés 1G rendszerekben Körülményes roaming Az MTSO hajtotta végre a mobil RSSI mérések alapján a hard handovert A cellaváltás végrehajtási ideje kb. 10 másodperc. Umbrella cella a nagysebességű mobiloknak: mikrocellákat fed le pl. utak mentén A korlátozott képességeik ellenére az alapvető mobil funkciókat sikeresen ellátták a hálózatok, és nagy piaci igényeket támasztottak
Az európai 2G-rendszer GSM Groupe Spéciale Mobile 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 felhasználósűrűség miatt
A GSM rendszer struktúrája
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 IMSI-t (International Mobile Subscriber Identity) Ez azonosítja a mobil felhasználót Rádiós interfészen ritkán küldik (a feltörés veszélye miatt), ezért TMSI helyette (Temporal) Országkód+szolgáltatókód+egyedi azonosító IMEI (International Mobile Equipment Identity) Készüléket azonosítja (így lehet letiltani a lopott készüléket)
Mobil állomás üzemállapota Kétféle üzemállapot: Idle mód hallgatja a szóró csatornákat de nincsen saját forgalmi csatornája Társított (dedicated) egy kétirányú forgalmi csatornát rendelnek a mobilhoz a forgalmi csatornák hozzárendelése, ha a mobil kommunikációs igénnyel él
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 Az előfizetők megtalálása (paging)
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
Rádiókommunikáció ITU: 890-915 MHz (uplink, mobil bázisállomás) és 935-960 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
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
Mobilitás kezelés 2G rendszerekben A hang szolgáltatás továbbra is az alapszolgáltatás Global System for Mobile communications (GSM), North American Time Division Multiple Access (NA-TDMA, IS-136), IS-95 Jelzésrendszer: az SS7 GSM kiegészítését használják (MAP Mobile Application Part)
Mobilitás kezelés 2G rendszerekben A BSC felelős a handover lebonyolításáért RRM: terminál RSSI mérései alapján Mobile Assisted Handoff (hard handover)
GSM jelzésprotokollok
Cellacsoportok 2G hálózatban Regisztráció és paging megvalósításához kedvező, hogy jól definiált szolgáltatási területeket használ a GSM Location-area (LA): cellák egy csoportja, ahol azonos a Location Area Indicators (LAI) LAI globálisan egyedi, tartalmazza: országkód, szolgáltatókód és LA kód A cellák azonosítása is globálisan egyedi: LAI + CI (cella azonosító)
Regisztráció, paging Mikor kell a mobil terminálnak regisztrálni? Power On/Off új LAI-ba való belépéskor Periódikus helyzetfrissítés (location update) hívásindítás Paging: egy cellában, LA, több LA egyszerre, vagy a teljes hálózat Paging indítása: a mobil legutolsó ismert helyének legkisebb körzetében, majd egyre nagyobb körzetben
Cellaváltások Hierarchikus kapcsolás: MSC -> BSC -> BTS -> Mobile Egy BSS-en belüli handovert a BSC kezeli, az MSC bevonása nélkül Minden cellaváltás hard handover Mikor kerül sor cellaváltásra? rádiós kapcsolat leromlik (hibák és alacsony RSSI értékek) BS mobil terminál távolság elérte a maximális értéket Cella forgalom kezelés Felügyelet (Maintenance)
Cellaváltások Cellaváltással kapcsolatos hálózati végrehajtás 5x 10x gyorsabb mint az 1G esetén A hálózati architektúra jó alap a következő generációk számára is
Mobil hálózatok evolúciója
Bokor László, Simon Vilmos, Híradástechnikai Tanszék Mobil hálózatok alapjai Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem 74 Kérdések? KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! Bokor László kutatómérnök BME Híradástechnikai Tanszék bokorl@hit.bme.hu