Foreleser: Kjell Åge Bringsrud E-mail: kjellbheim.ifi.uio.no/~inf3190/Forelesninger06/tradlost-06.pdf · aLocation affects configuration parameters `DNS, timezone, printer etc. aLocation

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)