Post on 10-Feb-2020
2/18/2008 inf3190 1
Trådløs kommunikasjon
Foreleser: Kjell Åge BringsrudE-mail: kjellb
2/18/2008 inf3190 2
Mange typer trådløst
Mobiltelefoni GPRS UMTSSatelitter
GeostasjonæreLavbane
Trådløs “Ethernet” - IEEE 802.11. . . Bare fantasien (og noen få fysiske lover)
setter grenser:Ad-hoc eller spontane nettverk
2/18/2008 inf3190 3
Growth of Wireless and Broadband Internet
2/18/2008 inf3190 4
Utstyr
2/18/2008 inf3190 5
Explosion of New Internet Appliances
2/18/2008 inf3190 6
Computing View of the Future Information Systems
The most profound technologies are those that disappear. They weave themselves into the fabric of everyday life until they are indistinguishable from it... the idea of a “personal computer” itself is misplaced... the vision of laptop machines, dynabooks and “knowledge navigators” is only a transitional step... a new way of thinking about computers, one that takes into account the human world and allows the computers themselves to vanish into the background.
Mark Weiser (Chief Technologist, Xerox PARC) Scientific American, September1991
2/18/2008 inf3190 7
Heterogeneous Networks
Seamless mobility across diverse overlay networks⌧software “agents” for heterogeneity
management⌧IP as the common denominator?
High-tier
Low-tier
Satellite
High Mobility Low MobilityWide Area
Regional Area
Local Area
2/18/2008 inf3190 8
Location-dependent Information
Location affects configuration parametersDNS, timezone, printer etc.
Location affects answer to user queriese.g. where is the nearest printer
More complex location-dependent queriese.g. where is the nearest taxi
Privacy concerns due to location trackingChanging context
small movements may cause large changescaching may become ineffectivedynamic transfer to nearest server for a service
Localization
2/18/2008 inf3190 9
Så litt mer konkret.......
2/18/2008 inf3190 10
Trådløst “Ethernet”
IEEE 802.11Tre overføringsmetoder
Spredt spektrum (to typer)Diffus infrarød
Avstand: 5 cm til 5 kmSpredt spektrum kan sendes i alle retninger ellerkonsentreres i en bestemt retningMaksimum tillatt sendestyrke, derfor går bølgene lengstnår de er rettet (vi har målt opp til 5 km.)
2/18/2008 inf3190 11
Spredt spektrumSprer signalet over et (stort) frekvensområde
Signalet er “skjult” i dette områdetTåler mye støy (interferens fra annet utstyr)
To hoved-teknikker:Frekvens hopping:⌧Sender (og mottaker) hopper rundt i
frekvensområdet og sender noen bit hvert stedDirekte sekvens:⌧hvert bit i rammen representert ved flere bit i det fysiske
signalet (OR-er med random sekvens)
2/18/2008 inf3190 12
Diffus infrarød ( i IEEE 802.11)
Millimeter (og kortere) bølgerSom lys trenger de ikke gjennom veggerDiffus: Reflekteres av vegger mm.
Behøver derfor ikke direkte synslinje
2/18/2008 inf3190 13
Trådløs Ethernet
Ethernet, Men 1:Når både A og C sender til B blir det kollisjonsom ingen av dem oppdager
A B C
A og Cser ikkehverandre(skjultenoder)
2/18/2008 inf3190 14
Trådløs EthernetMen 2: Hvis B hører at C sender, må B da ti stille ?
Kan B sende (til A) samtidig som C sender (til D) ?
A B C D
2/18/2008 inf3190 15
Collison Avoidance
Multiple Access with Collison Avoidance(MA/CA)1. En avsender spør en mottaker om å få lov å sende en viss stund (sendelengden)2. Mottaker svarer tilbake til avsenderen: “Klart til å sende”Alle som hører en “Klart til å sende” vet de er nærmottakeren, og må ikke sende selv i dette tidsrommetAlle som bare hørte forespørselen om å sende (men ikkesvaret) kan gjerne sende selv
2/18/2008 inf3190 16
Kollisjon og retransmisjon
Når to sendeforespørsler kolliderer vil mottakerikke skjønne meldingen og gir ikke noe svarNå det ikke kommer noe svar venter sender en stund før den sender en ny forespørsel(på samme måte som i vanlig Ethernet)
Alle datapakker kvitteres (ved ACK-melding)Kommer det ikke noen ACK retransmitterespakken
2/18/2008 inf3190 17
Aksesspunkter og celler
B C
A, B og C er aksesspunkterM (mobil) sender “Probe”-pakke (til alle)A svarer at den eksisterer med å sende “Probe Response” pakke til MM godtar A som aksesspunkt og svarer til A: “Association Request”A besegler forbindelsen ved å svare “Association Response” til M
A
MDistribusjonsnett
2/18/2008 inf3190 18
Aksesspunkter og celler
B C
Hva skjer når M flytter seg ?M sender ut nye “Probe” pakker når signalet fra A
blir svakt (kalles “active scanning”)Ny forbindelse opprettes så med B
A
MDistribusjonsnett
M
2/18/2008 inf3190 19
Bluetooth – En global standard for trådløs
konnektivitet
2/18/2008 inf3190 20
Hvem er Bluetooth (Blåtann)
Harald Blåtand “Bluetooth” II:• Konge av Danmark 940-981.
- Sønn av Gorm den Gamle (Kongeav Danmark) og Thyra Danebod(datter av kong Ethelred av England)
• Dette er en av to runestener som erreist i hans hovedstad Jelling (sentraleJylland)
- Harald kontrollerte Danmark ogNorge
• I begynnelsen var Bluetooth bare et prosjekt-navn
• Nå er Bluetooth det offisielle navnet påteknologien.
2/18/2008 inf3190 21
IEEE 802.15
Den første standarden til IEEE 802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks (WPANs) baserer seg på Bluetooth™ Special Interest Group (SIG) v1.0 specifikasjonen.
2/18/2008 inf3190 22
Hva er Bluetooth? Teknisk
Universelt radio-grensesnitt for ad hoc, trådløs konnektivitet⌧Data-forbindelse via kort-distanse (10m) ad hoc
nettverk som benytter det lisens-frie 2.45 GHz (ISM) band⌧Lavkost RF moduler⌧Lavt strømforbruk⌧Tale- og data-overføring⌧Anvendelse hovedsakelig for alle portable
innretninger
2/18/2008 inf3190 23
Erstatning for kabel
PC tilbehørTrådløs mus og tastaturSkriver-forbindelseForbindelse til “palms” og modem
Tale-anvendelserTrådløst headset
Handsfree bil-sett⌧Enhver mobiltelefon
Kan benyttes i enhver bil
2/18/2008 inf3190 24
Forbindelses-parametere
TDDFrekvens-hopping
1600 hops/s(625 μs intervall)
1 Mbit/s total datarate
TDDFrekvens-hopping
1600 hops/s(625 μs intervall)
1 Mbit/s total datarate
2.4 GHz, ISM band79 (or 23) RF kanaler
Bærebølge-skille 1 MHzG-FSK modulasjon
2.4 GHz, ISM band79 (or 23) RF kanaler
Bærebølge-skille 1 MHzG-FSK modulasjon
Tale-linksynkron
Forover feilkontroll (FEC)CVSD tale-koding
64kBit/s
Tale-linksynkron
Forover feilkontroll (FEC)CVSD tale-koding
64kBit/s
Data-linkasynkron
rask kvitteringmax. datarater:
433,9 kBit/s (symmetrisk)723,2 / 57,6 kBit/s (asymmetrisk)
Data-linkasynkron
rask kvitteringmax. datarater:
433,9 kBit/s (symmetrisk)723,2 / 57,6 kBit/s (asymmetrisk)
2/18/2008 inf3190 25
Nett-topologiPiconet
2 eller flere Bluetooth enheter utgjør et piconet⌧Enheter som er bundet sammen kan være
“master” eller “slave”⌧master kan samtidig knytte seg til maks. 7
slaver pr. piconetEn spesifikk hopp-sekvens som bruker alle 79 RF kanalene brukes for forbindelsen (logiskkanal)Ved etableringen av et piconet, gir master sin klokke- og enhets-ID til slaven.⌧Unikt hopping-mønster for hvert piconet
• Alle enheter i et piconet hopper sammen
Hvert piconet har en maksimum total dataratepå 1 Mbit/sIkke-piconet enheter er i standby
M
S
S
S
sb
2/18/2008 inf3190 26
Nett-topologiScatternet
2 eller flere piconet danner et scatternetHøy-kapasitets system⌧10 piconet innen samme rekkevidde minsker dataraten med
omtrent 10%Bluetooth enheter kan dele forskjellige piconet
MM
S
S S
S
P
sb
sb
P
P
2/18/2008 inf3190 27
FH/TDD kanalEn Bluetooth kanal representeres ved en pseudo-random hopping-sekvens gjennom de 79 RF kanalene til 2,45 GHz båndetTidsdelt duplex (TDD) overføring brukes innen en Bluetooth kanal
625 μs
t
t
f(k) f(k+1) f(k+2)
Master
Slave
2/18/2008 inf3190 28
Blandet link eksempelMASTER
SLAVE 1
SLAVE 2
SCO SCO SCO SCOACL ACLACL
• SCO: Synchronous Connection-Oriented link- punkt-til-punkt mellom master ogen eneste slave
* bruker reserverte tidsluker (slots) * kan sees på som en linjesvitsjet
forbindelse* hovedsakelig brukt for tale
* ACL: Asynchronous Connection-Less link- punkt-til-multipunkt mellom
master og alle slaver* bruker gjenværende tidsluker* pakkesvitsjet forbindelse* brukes for data
2/18/2008 inf3190 29
Robust OperasjonRask frekvens-hopping for å sikre god beskyttelse mot interferense
Frekvens-kanaler kan være okkupert av:⌧Andre applikasjoner som bruker det samme frekvensområdet
• Mikrobølge-ovner, baby monitorer, garasjedør åpnere, ...⌧Andre Bluetooth linker
Datapakker kan mistes fra tid til annen, når hoppe-sekvensen velger en opptatt kanal⌧Kan redusere talekvaliteten på synkrone kanaler (FEC beskyttet)⌧Minsker data-raten i asynkrone kanaler (beskyttet med rask kvittering)
1 6 11 16 …Eksempel: Spektrum for ISM båndet
Mikrobølge-ovn
Bluetooth linker (hopping)
Baby monitor
2/18/2008 inf3190 30
Automatisk Retransmisjon
MASTER
SLAVE 1
SLAVE 2
A B B CX
Z Z
F G H
NAK ACK
2/18/2008 inf3190 31
Bluetooth Adressering
Bluetooth enhets-adresse⌧48 bit⌧Unik adresse verden over for enhver
Bluetooth enhetAktiv medlem adresse⌧3 bit⌧Identifiserer de 7 slavene i et piconet
Parkert medlem adresse⌧8 bit⌧Skiller slaver i parkert modus
- -
2/18/2008 inf3190 32
Funksjonell OversiktStandby
Venter på å slutte seg til et piconet
ForespørselSpørre etter enheter åknytte seg til
Tilkople (page)Kople til en bestemt enhet
OppkopletAktiv på et piconet(master eller slave)
Parkert/HoldOppkoplet tilstand med lavtstrømforbruk
Inquiry Page
ConnectedAMA
TransmitdataAMA
Ttypical=0.6s
Ttypical=2s
HOLDAMA
PARKPMA
Ttypical=2 ms Ttypical=2 ms
ReleasesAMA
AddressLow Power
States
ActiveStates
Standby
ConnectingStates
UnconnectedStandby
Deta
ch
2/18/2008 inf3190 33
IEEE 802.16 Trådløs MAN
2/18/2008 inf3190 34
2/18/2008 inf3190 35
Skille mellom:
Fysiske LagMAC LagQoS
2/18/2008 inf3190 36
Funksjoner:
Mål: Sørge for høyhastighets Internet tilgang for abonnenter hjemme og i foretak, uten kabler.Base stasjoner (BS) kan håndtere tusener av abonnent-stasjoner (subscriber stations; SS)Aksess-kontroll forhindrer kollisjoner.Understøtter:
Tradisjonelle taleorienterte telefonsentralerTale over IPTCP/IPAplikasjoner med ulike QoS krav.
2/18/2008 inf3190 37
Mange del-standarder:
802.16 standards:802.16.1 (10-66 GHz, line-of-sight, up to
134Mbit/s)802.16.2 (minimizing interference
between coexisting WMANs.)802.16a (2-11 Ghz, Mesh, non-line-of-
sigth)802.16b (5-6 Ghz)802.16c (detailed system profiles)P802.16e (Mobile Wireless MAN)
Vi vil fokusere på 802.16.1
2/18/2008 inf3190 38
Fysiske lagetMAC lagetQoS
2/18/2008 inf3190 39
Fysiske laget (1)
”Burst single-carrier” modulasjonTillater bruk av retningsbestemte antenner.Tillater bruk av to forskjellige duplex overførings-metoder:
Frekvens-Delt Duplex overføring (FDD)Tids-Delt Duplex overføring (TDD)
Understøtter både full og halv duplex stasjoner
2/18/2008 inf3190 40
Tids-Delt Duplex overføring (TDD)
2/18/2008 inf3190 41
Tidsluker
Bruker bådeTDM (Tids-Delt Multipleksing) ogTDMA (Tids-Delt Multiple Aksess)
Hva er forskjellen?Ikke mye,men hvert TDMA burst har et preamble foran seg
TDM TDMA
2/18/2008 inf3190 42
Frekvens-Delt Duplex overføring (FDD)
Frekvens-spektret deles opp i unikefrekvensbånd eller kanaler.Disse kanalene tilordnes brukere påforespørsel.Flere brukere kan ikke dele en kanal.Brukere tildeles en kanal som et par avfrekvenser (fram- og tilbake-kanaler)FDD krever RF filtrering for å redusereinterferens mellom tilstøtende kanaler.
2/18/2008 inf3190 43
FDDK
anal
-1
Cha
nnel
-6
Cha
nnel
-5
Cha
nnel
-7
Cha
nnel
-8
Cha
nnel
-9
TID
FREKVENS
Kan
al-2
Kan
al-3
Kan
al-6
Kan
al-4
Kan
al-5
Kan
al-7
Kan
al-8
Kan
al-9
2/18/2008 inf3190 44
Fysiske laget
MAC LagetQoS
2/18/2008 inf3190 45
Media Acces Control (MAC)
Forbindelses-orientert• Forbindelses-identifikator (Connection ID; CID), Tjeneste-
flyter (Service Flows; FS)
Kanal-tilgang:UL-MAP
• Definerer opplink kanal-tilgang• Definerer opplink data burst profiler
DL-MAP• Definerer nedlink data burst profiler
UL-MAP and DL-MAP overføres begge i begynnelsen av hver nedlink del-ramme (FDD and TDD).
2/18/2008 inf3190 46
FDD burst innramming
2/18/2008 inf3190 47
Opplink intervaller
Initielle vedlikeholds-muligheter• Rangering• Bestemme nettverks-forsinkelse og be om sendestyrke eller
profil forandringer.• Kollisjoner kan forekomme i dette intervallet
Forespørsel-muligheter• SSer ber om båndbredde som svar på polling fra BS.• Kollisjoner kan også forekomme i dette intervallet.
Data tildelings-periode• SSer overfører data bursts i de intervallene som tilbys av BS.• Transisjons-gap mellom data intervaller av synkroniserings-
årsaker.
2/18/2008 inf3190 48
Unicast Polling
1. BS allokerer plass til SSen i opplink del-rammen.
2. SS bruker den tildelte plassen til å sende en båndbredde- forspørsel (bw request).
3. BS tildeler den ønskede plassen for SSen (hvis tilgjengelig).
4. SS bruker tildelt plass for å sende data.
Poll(UL-MAP)
RequestAlloc(UL-MAP)
Data
BS SS
2/18/2008 inf3190 49
Fysiske lag
MAC Laget
QoS
2/18/2008 inf3190 50
QoS mekanismer
Klassifikasjon• Mapping fra MAC SDU felter (f.eks. destinasjons IP adresse
eller TOS felt) til CID og SFID
Tildeling (Scheduling)• Nedlink tildelingsmodul
– Enkel, alle køer i BS• Opplink tildelingsmodul
– Køer er distribuert blandt SSer.– Kø-tilstander og QoS krav fremskaffes gjennom
bånbredde-forespørsler.• Algoritmer er ikke definert i standarden
2/18/2008 inf3190 51
Stikkord vedrørende 802.16a utvidelsen
Maskenett topologiFri sikt kreves ikke2-11 GHzARQ støtte (Automatic repeat request)
Mer QoS signalleringDynamisk frekvens-valg, for å unngåinterferens med WLAN.
2/18/2008 inf3190 52
Oppsummering, trådløse nett
Tekniske attributter:Mobilitet, portabilitetDekningsgradFrekvensområdeFrekvenshoppingTidsdelt dupleks (TDD)InterferensInnrammingAdresseringStrømforbrukQoSSikkerhet
Virkemåte IEEE standarder:
Trådløst ”Ethernet”(WLAN; IEEE 802.11)Bluetooth(WPAN; IEEE 802.15)Trådløst MAN(WMAN; IEEE 802.16)