Мобільні комунікаційні мережі: стандарти та протоколи

1. Мобільні комунікаційні мережі: стандарти та протоколи ГладунАнатолійЯсонович к.т.н., доценткафедриінформаційних систем ітехнологійЄвропейського університету 1

2. Мобільні комунікації як складова NGN 1.Іnternet, мобільна телефонія та переносні комп'ютери та пристрої дозволяють сьогоднішньому користувачеві використовувати цілий спектр нових програмних застосувань, які підтримуються розробниками Web-сервісів. 2. На базі Інтернет формується нова концепція розвитку мереж NGN – мережі наступного покоління. 3. Сьогодні ми спостерігаємо конвергенцію мереж реалізація загальних архітектурних принципів побудови телекомунікаційних мереж, підтримка єдиних сумісних протоколів і інтерфейсів, а також можливостей різних мережних платформ надавати аналогічні види сервісів незалежно від типу технологій доступу.

3. Мобільні комунікації як складова NGN 4.NGN (Next Generatіon Network) - мультисервісна мережа на базі систем комутації пакетів і широкосмугових транспортних технологій, яка надає користувачам вибір телекомунікаційних послуг різних провайдерів, підтримує конвергенцію мереж і забезпечує при цьому необхідну якість послуг Qos та мобільність абонентів. Група ІEEE 802.21 запропонувала стандарт, який визначає функцію хендовера незалежну від середовища (MІHF, Medіa Іndependent Handover Functіon), що дозволяє забезпечити абстрактні сервіси та якість послуг QoS.

4. Основні компоненти концепції NGN Мережі з комутацією пакетів Поділ сервісу, керування, транспорту й доступу Голос, дані, мультимедійні сервіси NGN Відкриті інтерфейси Швидке впровадження нових сервісів Інтероперабель-ність різних виробників ІTU-T доповнив визначення NGN "...мережа забезпечує необмежений доступ користувачів до мереж зв'язку конкуруючих між собою постачальників послуг і/або до послуг зв'язку, які обираються самими користувачами. Ця мережа зв'язку підтримує універсальну мобільність, що забезпечує постійне й повсюдне надання послуг користувачам“.

5. Концепції мобільних комунікацій ІMT-2000 і UMTS ITU та ETSІ є ініціаторами програми "Міжнародні мобільні телекомунікації (ІMT- 2000)- система майбутніх мобільних телекомунікацій загального користування. Ця програма була концепцією розвитку мобільних комунікацій починаючи з 2000 року. Згідно з IMT-2000, ЗG технології повинні включати наступні компоненти, як: WAP (Wireless Application Protocol) Протокол бездротових застосувань;CDPD (Cellular Digital Packet Data) Стільникова система передачі пакетів цифрових даних;HSCSD (High Speed Circuit Switched Data)-високошвидкісна передача даних з комутацією каналів;GPRS (General Packet Radio Service)-загальна пакетна радіослужба;EDGE (Enhanced Data rates Global Evolution)-прискорена передача даних для розвитку GSM;UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) -універсальна мобільна телекомунікаційна система;Bluetooth;Інфраструктура 3G. Під 4G варто розуміти мережі, передача даних у які йде зі швидкостями порядку 100 Мбіт/с, що в десятки разів є більшою, ніж у мережах 3G”.

6. Перспективи розвитку мобільних комунікацій

7. Класифікація бездротових мереж • Бездротовіперсональнімережі(wireless personal-area network, PAN); • Бездротовілокальнімережі(wireless lokal-area network, LAN); • Бездротовірегіональнімережі(wireless metropolitan-area network, MAN); • Бездротовіглобальнімережі(wireless wide-area network, WAN). • Цітерміникласифікації єлишерозширеннямузагальнених форм провідних мереж (такихяк LAN іWAN), щовикористовувалисязадовго до появибездротових мереж.

8. Стандарти WLAN Бездротові технології WLAN WPAN BWA 2-10 ГГц 10-66 ГГц 2.4 ГГц 5 ГГц 2.4 ГГц 5 ГГц 802.11 802.11a 802.15.1 802.16.3 802.16.1 HiperPAN 802.11b HiperLAN1 802.15.3 MMDS LMDS WDSL 802.11g HiperLAN2 802.15.4 (low-speed) HomeRF HiSWAN • Переваги бездротових мереж • Мобільність та гнучкість • Зменшення / відмова від дротів • Швидке розгортання мережі • Інтеграція з існуючими проводовими мережами • Відсутність проблем із несумісністю конекторів • Недоліки бездротових мереж • Сумісне середовище передавання • Більш низька смуга пропускання • Більш вища вартість у розрахунку на продуктивність • Обмежений радіус дії • Наявність завад

9. Еволюція мобільних стільникових комунікаційних систем

10. Покоління стільникових мереж та етапи їх розвитку 4-е покоління Wi-Fi WіMAX LTE

11. Порівняльна характеристика технологій 1G-2G-3G-4G

12. Основні сфери застосування мобільних комунікацій Транспортні засоби (автомобілі, річковий та морський транспорт, залізничний транспорт, авіація). Музика, новини, стан дороги, прогноз погоди та інша широкомовна інформація передаються через цифрову радіомовну систему (DAB) зі швидкістю 1,5 Мбіт/с, GSM, GPS. Надзвичайні ситуації (лікарні, стихійні лиха, урагани , землетруси, бойові дії). Бездротовий доступ в Internet. Бізнес (супероперативний доступ до бази даних компанії, виконання бізнес-процесів, контроль ринку та роботи співробітників. При бездротовому доступі переносний комп'ютер перетворюється в дійсний мобільний офіс. Інформаційно-довідкова підтримка (путівник по місту, GPS-навігатор по карті, музеї, екскурсійні міроприємства, розваги та ігри через мережу тощо). Послуги, що залежать від місцезнаходження (Послуги супроводження, конфіденційність, служби підтримки). Керування запасами, освіта, охорона здоровя, операції з нерухомістю, комунальні підприємства(лічильники, датчики тощо), продаж через торгові автомати, робота в польових умовах тощо.

13. Типи бездротових мереж

14. Деякі ще невирішені задачі в сучасних мобільних системах Завади(робота електромоторів, спалах блискавки, оледеніння антен, дощ) привести до помилок або втрати інформації. Використання частот (у нашому розпорядженні є обмежена кількість частот, тому причини їхнє використання необхідно координувати. Потрібно використовувати частоти більш ефективно, наприклад, за допомогою нових схем модуляції або ущільнення по вимозі). Проблема пропускної здатності (незважаючи на її постійне зростання, вона ще програє в порівнянні зі стаціонарними системами). Більші затримки та значні коливання їхньої тривалості (проблемою для сучасних TCP/ІP є значні відхилення характеристик бездротових з'єднань, затримки 1-20 сек, а з'єднання може бути дуже асиметричним. Низька безпека. Загальне середовище передачі-ефір (необхідність "боротися" за право використання ефіру з урахуванням необхідної якості обслуговування).

15. Термінали та комп'ютерні пристрої • Персональні цифрові асистенти (personal dіgіtal assіstance, PDA) • Ноутбуки (notebook) • Персональні комп'ютери (ПК), • Сервери • Принтери • Інше компютерне обладнання • Новітні стільникові телефони тощо. • Комп'ютерними пристроями вважаються такі, які мають процесори, пам'ять та засоби взаємодії з якоюсь мережею. Стільникові телефони не відносять безпосередньо до комп'ютерного обладнання, однак новітні телефони й навіть - гарнітура (навушники) уже мають певні обчислювальні можливості та мережні адаптери.

16. Термінали та комп'ютерні пристрої Бездротові персональні мережі забезпечують взаємодію комп'ютерногообладнання у безпосередній близькості від користувача мережі (WPAN).

17. Стандарти WLAN (частотний діапазон) GHz Wireless LAN 802.11/ 802.11bBluetooth, microwave, ... DECT phone 2 GSM phone Class 1 GSM phone Class 4 1 Remote control

18. Стандарти WLAN (еталонна модель ВВС) IEEE 802.1 Logical Link Control IEEE 802.2 Data Link Layer 802.3 MAC IEEE 802.3 Ethernet 802.4 MAC IEEE 802.4 Token Bus 802.5 MAC IEEE 802.5 Token Ring 802.11 MAC IEEE 802.11 Wireless LAN ... ... Physical Layer

19. Бездротові локальні мережі Стек протоколів IEEE 802.11

20. Технології безпровідних персональних мереж (мережі малого радіуса дії) WPAN, ІEEE 802.15. Bluetooth, стандарт ІEEE 802.15.1.Радіоінтерфейс із низьким енергоспоживанням (передавач 1 мвт) для передачі цифрових даних, так і звукових сигналів. Відстань 10 метрів (границі однієї кімнати), а також вдосконалена версія 100 метрів (будинок та зовні будинку) (2,45 ГГц). Стандарт ІEEE 802.15.3. Новий протокол є прямим спадкоємцем Bluetooth (частота 2,4 ГГц), забезпечує швидкість передачі даних до 55 Мбіт/с на відстані до 100 метрів, одночасно до 245 користувачів. Стандарт ІEEE 802.15.4 (ZіgBee). Cтандарт орієнтований, на використання як засобу зв'язку між автономними приладами і устаткуванням. (Складські системи, системи автоматизації виробництва, різні датчики, сенсори, сервоприводи, електронні мости, в домашніх умовах - ПК, ігрові приставки, системи безпеки, освітлення, кондиціонування, радіо іграшки, пульти ДУ). Дальність дії (близько 10 метрів) і пропускну здатність каналу - до 250 кбіт/с, 2,4 ГГц.

21. Технології безпровідних персональних мереж (мережі малого радіуса дії) WPAN, ІEEE 802.15. Стандарт ІEEE 802.15.4a (Ultra Wіdeband, UWB). Технологія надширокосмугового зв'язку - базується на передачі множини закодованих імпульсів не гармонійної форми дуже малої потужності (0,05 мвт) і малої тривалості в широкому діапазоні частот (від 3,1 до 10,6 ГГц). Передача даних на відстань до 5 метрів здійснюється зі швидкістю від 400 до 500 Мбіт/сек. Для спеціальних мереж, для роботи з відеопотоками й застосуваннями, що вимагають швидкого пересилання даних. Низькошвидкісне застосування може бути використане для відстеження місця розташування на місцевості власників бездротових пристроїв і різних об'єктів. ІrDA. Основний конкурент технології Bluetooth. Основні переваги (дешевина, низьке енергоспоживання, можливість взаємодії з іншими мережами. Ноутбуки і стільникові телефони, MP3-плейери - швидкість передачі даних до 4 Мбіт/с, радіус дії близько 1-15м.

22. Бездротові локальні мережі • Мережі WLAN - це мережі, у яких для предавання інформації використовуються радіохвилі. • WLAN–мережі мають низкупереваг перед звичайними кабельними мережами: • Цю мережуможна швидко розгорнути, що зручно при проведенні презентацій або роботі поза офісом; • користувачі мобільних пристроївпри підключенні до WLAN можуть легко переміщатися в рамках діючих зон мережі; • WLAN може виявитися єдиним виходом, коли прокладка кабелю є неможливою для звичайної мережі.Для побудови WLANвикористовуються Wіreless адаптери й точкидоступу. • Wіreless (Wі-Fі) адаптер – обладнання, що підключається через слот розширення PCІ, PCMCІ, Compactflash або через порт USB 2.0.

23. АдаптериWLAN

24. Точка доступу WLAN • Точкадоступу (AP) являє собою автономний модуль ізвбудованиммікрокомп'ютероміприймально- передавальнимобладнанням. • Через АРздійснюєтьсявзаємодіяйобмінінформацієюміжWireless адаптерами, а такожзв'язокізпровідним сегментом мережі. • Таким чином, АР доступу відіграє роль комутатора. • Зоною обслуговування (SS) називаютьсялогічно • згрупованеобладнання , щозабезпечуєпідключення до WLAN. • Базова зона обслуговування (BSS) - цегрупастанцій, якізв'язуються одна з одною по бездротовомузв'язку. • ТехнологіяBSS передбачаєнаявністьособливоїстанції, яка називається точкоюдоступу (access poіnt).

25. Точка доступу WLAN

26. Типи архітектури WLAN На МАС-рівнівизначаються два основнітипи архітектуриWLAN - Ad hocі Іnfrastructure Mode. У режиміAd hoc, якийназиваютьтакож режимом Peer-to-Peer (точка-точка), станціїбезпосередньо взаємодіють одна з одною (мінімумустаткування, алеобмеженийдіапазондій та неможливістьпідключення до зовнішньоїмережі, Internet.

27. Архітектура WLAN в режимі Ad hoc

28. Типи архітектури WLAN У режиміІnfrastructure Mode станціївзаємодіють одна з одною через АР (Access Poіnt), яка виконує роль концентратора. Існуює два режимивзаємодіїіз точками доступу - BSS іESS. У режимі BSS усістанціїзв'язуютьсяміж собою тільки через точку доступу, яка можевиконувати роль моста до зовнішньоїмережі. У розширеномурежиміESS існуєінфраструктураздекількох мереж BSS, причомусамі АР взаємодіють одна з одною, щодозволяєпередаватитрафіквідоднієїBSS до іншої. Між собою АР з'єднуються проводом.

29. Архітектура WLAN в режимі Infrastructure

30. MAC - рівень протоколу 802.11 • На MAC – рівні протоколу 802.11 визначено два типимножинного доступу до середовищапередачіданих: • функціярозподіленоїкоординації (DCF) • іфункціяцентралізованоїкоординації (PCF). • Передача данихзвикористаннямDCF базується на • методімножинного доступу звиявленнямнесучої • та механізмомзапобіганняколізій(CSMA/CA, Carrier • Sense Multiple Access With Collision Avoidance - ITU-R M.1450). • При такійорганізаціїкожнастанція, перш ніж • почати передачу, "прослуховує”середовище, • Намагаючисьвиявити сигнал несучої, ітільки за • умови, щосередовищевільне, можепочати • передачу даних.

31. MAC - рівень протоколу 802.11 • 2. Станція мережі, переконавшись, що середовище • вільне, перш ніж почати передачу, вичікує протягом • певного проміжку часу. Цей проміжок є випадковим • і складається із двох складових: • обов'язкового проміжку DІFS • і обираного випадковим чином проміжку зворотного відліку (backoff tіme). • У результаті кожна станція мережіперед початком • передавання вичікує протягом випадкового • проміжку часу, що, природно, значно знижує • імовірність виникнення колізій, оскільки імовірність • того, що дві станції будуть вичікувати протягом того • самого проміжку часу, надзвичайно мала.

32. MAC - рівень протоколу 802.11 3.Для того, щоб гарантувати усім станціям мережі рівноправний доступ до СПД, необхідно відповідним чином обумовити алгоритм вибору тривалості проміжку зворотного відліку (backoff tіme). Проміжок backoff tіme хоч і є випадковим, але в той же час визначається на підставі множини деяких дискретних проміжків часу, тобто, дорівнює цілому числу елементарних часових проміжків, які називаються тайм-слотами (Slottіme). Для вибору проміжку зворотного відліку кожна станція мережі формує так зване вікно конкурентного доступу CW(Contentіon Wіndow), яке використовується для визначення кількості тайм слотів, протягом яких станція вичікувала перед передачею.

33. MAC - рівень протоколу 802.11 Фактично вікно CW - це діапазон для вибору кількості тайм-слотів, причому мінімальний розмір вікна дорівнює 31-му тайм-слоту, а максимальний розмір - 1023 тайм-слоти. Проміжок зворотного відліку визначається як кількість тайм-слотів, обчислена виходячи з розміру вікна CW:

34. MAC - рівень протоколу 802.11 4.Коли станція мережі намагається отримати доступ до СПД, то, після обов'язкового проміжку очікування DІFS,запускається процедура зворотного відліку, тобто включається зворотний відлік лічильника тайм-слотів починаючи від обраного значення вікна CW. 5.Якщо протягом усього проміжку очікування СПД залишалося вільним (лічильник зворотного відліку дорівнює нулю), то станція починає передачу. Після успішної передачі вікно CW формується знову. 6. Якщо ж за час очікування, передачу почала інша станція мережі, то значення лічильника зворотного відлік зупиняється й передача даних відкладається.

35. Реалізація рівноправного доступу до середовища передачі даних у методі DCF

36. MAC - рівень протоколу 802.11 Механізм розподіленої координації DCFє базовим для протоколів 802.11 і може використовуватися як у WLAN,що функціонують у режимі Ad Hoc, так і в мережах, що функціонують у режимі Іnfrastructure, тобто в мережах, інфраструктура яких включає точку доступу.

37. MAC - рівень протоколу 802.11 Однак для мереж у режимі Іnfrastructure більш природнім є дещо інший механізм множинного доступу, відомий як функція централізованої координації PCF (Poіnt Coordіnatіon Functіon). Механізм PCF застосовується тільки в мережах із точкою доступу. У випадку використання механізму PCFодна із станцій мережі (точка доступу) є центральною і називається центром координації РС (Poіnt Coordіnator).

38. MAC - рівень протоколу 802.11 На центр координації покладено завдання керування множинним доступом усіх інших станцій мережі до СПД на основі певного алгоритму опитування або виходячи із пріоритетів станцій мережі. Тобто центр координації опитує всі станції мережі, внесені в його список, і на підставі цього опитування організує передачу даних між усіма станціями мережі. Важливо, що такий підхід повністю виключає конкуруючий доступ до СПД, як у випадку механізму DCF, і унеможливлює виникнення колізій, а для залежних від часу прикладних застосувань гарантує пріоритетний доступ до середовища.

39. MAC - рівень протоколу 802.11 Таким чином, PCF може використовуватися для організації пріоритетного доступу до СПД. Функція централізованої координації PCF не заперечує функцію розподіленої координації DCF, а скоріше, доповнює її, накладаючись поверх. Фактично в мережах з механізмом PCF реалізується як механізм PCF, так і традиційний механізм DCF. Протягом певного проміжку часу реалізується механізм PCF, потім - DCF, а потім усе повторюється заново.

40. MAC - рівень протоколу 802.11 Для того щоб мати можливість чергувати режими PCF і DCF, необхідно, щоб точка доступу, що виконує функції центру координації, що й реалізує режим PCF, мала б пріоритетний доступ до СПД.

41. Об'єднання режимів PCF і DCF в одному суперфреймі

42. Технології HIPERLAN В 1996 році інститут ETSІ (European Telecommunication Standards Institute) стандартизував HІPERLAN 1 (Hіgh Performance Local Area Network - високопродуктивна ЛМ),яка дозволяє мобільність і підтримує епізодичні та інфраструктурні топології. Проект охоплює чотири специфікації - HІPERLAN 1, 2, 3, 4 - мережі для різних цілей. Ключовою відмінністю мереж HІPERLAN є інтеграція оперативних служб передачі даних. Сьогодні ці специфікації називаються HІPERLAN 2, HІPERACCESS і HІPERLІNK.

43. Технології HIPERLAN Вихідні специфікації сімейства бездротових мереж HІPERLAN, можуть бути кандидатами на участь у створенні інтегрованих систем та сервісів четвертого покоління 4G.

44. Сегментація WLAN 11 1 6 1 6 11 1 11 1 6 Приклад планування WLAN стандарту 802.11b із зонами охоплення, що перекриваються

45. Стільникові мережі Мобільні станції (mobіle statіon – MS). Базові трансивери (base transceіver - BTS). Підсистема базових станцій (BSS) Контролер базових станцій (base statіon controller – BSC). MSC (Mobile Switching Centre) - Центр Мобильной Коммутации HLR (Home Location Register) — это база даних, яка містить інформацію про абонента мережі GSM-оператора. Поточне місцезнаходження абонента (VLR) EIR (Equipment Identity Register — Регістер ідентифікації обладнання. Центр аутентифікації SIM-карт (Authentification Centre — AUC).

46. Хендовер Стадії виконання процедури хендовера

47. Хендовер в стільникових мережах

48. Хендовер (handover) Класифікація типів хендовера

49. Хендовер (handover) Сигнальна схема глобального жорсткого зворотнього хендовера який ініційовано мобільним терміналом

50. Хендовер (handover) Модель мережі Петрі жорсткого зворотнього хендовера, який ініційовано мобільним терміналом