Adatátviteli rendszerek Mobil távközlő hálózatok rendszertechnikája Dr. habil Wührl Tibor Óbudai Egyetem, KVK Híradástechnika Intézet
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)
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.
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 ).
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.
Általános mobil hálózati struktúra Core network BSS (Base Station System) MS Mobile Station ME Mobile Equipment UE User Equipment
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.
GSM protokoll architektúra Connection Management Mobility Management Radio Resource LAPD Link Access Protocol For the D channel BTSM BTS Management BSSAP BSS Application Part
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.
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 01111110 flag.
GSM protokoll architektúra Layer1 Um Chipering (titkosítás); TA Timing Advance; Tx power szabályozás; Csatornakódolás; Moduláció demoduláció (logikai CH-k leképezése a fizikai CH-ba).
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!
GSM TDM hozzáférés (Um)
GSM TDM hozzáférés (Um) TA Timing Advance 3GPP a TS05.10 és TS45.010-ban írja le a TA procedúrát. (ETSI TS 100 912 és TS 145 010) 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.}
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!
GSM TDM hozzáférés (Um) DL-SACCH TX power level; TA paraméter. UL-SACCH Received Signal Strength; TCH quality; Handover döntés (szomszédos cellák jelerőssége alapján).
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.
2,5G General Packet Radio Service (GPRS)
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.
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.
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
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.
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)!
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.
2,5G SGSN funkciók PDP kontext aktiválási folyamata
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.
2,5G Protokoll architektúra
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
PR 1998 körül
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)
2G -> 3G Nagyon megmozdult a világ, a WCDMA jó ötletnek tűnt.
2G -> 3G
WCDMA - cellalégzés Cellaméret a pillanatnyi terheléstől függő! Több felhasználó a cellában a többire nézve több zajforrást jelent -> jel-zaj viszony romlás.
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. 2008-ban véglegesedtek az első LTE szabványok (3,9G-nek is nevezik ) Műszaki fejlesztések 2009 2010 körül indultak. 3GPP release10 = LTE Advanced
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.
LTE Long Term Evolution
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
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).
LTE Long Term Evolution 3G és 4G együttélés (4G -> 3G handover)
LTE Long Term Evolution 3G és 4G együttélés (4G -> 3G reselection)
Köszönöm a figyelmet!
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.
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.
Órajel szinkron Csomagkapcsolt rendszereknél más a helyzet, mert teljes keret tárolódik a kapcsolókban, ez viszont nagy késleltetést (transfer delay-t) jelent.
IEEE1588v2 PTP PTP (Precision Time Protocol) első kiadás: 2002 revízió: 2008. Master-Slave architektúra Root Timing Reference = Grandmaster
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)
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.
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.
IEEE1588 üzenetek átvitele Minden üzenet kivéve a peer delay típusú: peer delay üzenetek: IPv4 IPv6 MAC 224.0.1.129 FF0X::18 01-1B-19-00-00-00 224.0.0.107 FF02::6B 01-80-C2-00-00-0E UDP port címek: 319 és 320; Ether Type: 0x88F7 (ha a PTP üzenet közvetlenül layer2-ben utazik).
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;
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!
IEEE1588 BMC (Best Master Clock) A clock properties az IEEE1588-2002-nél a SYNC üzenettel hirdetődik; Az IEEE1588-2008-nál ANNOUNCE üzenettel. Miután az aktuális MASTER felismeri a nála jobb minőségű óra jelenlétét megállítja a SYNC/ANNOUNCE üzenetek küldését, a tulajdonságainak továbbítását.
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!
IEEE1588 szinkronizáció Master periódikusan hirdeti az aktuális időt: IEEE1588-2002 esetén másodpercenként; IEEE1588-2002 esetén max 10X másodpercenként.
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.
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.
IEEE1588 szinkronizáció
Köszönöm a figyelmet!