Tulevaisuuden langattomat järjestelmät Jukka K. Nurminen
Edellisellä kerralla Televerkon toiminta Puhelinverkon periaate Puhelinkeskuksen toiminta Siirtojärjestelmät Puhelun kytkeminen, Signalointiverkko SS7 Älyverkkopalveluiden toteutus Matkapuhelinverkko Langattomuus ja sen haasteet Mobiiliverkon perusperiaate ja rakenne Ydintoiminnallisuus: liikkuvuuden hallinta, puhelun muodostus, tukiaseman vaihto 2
GSM: Puhelun muodostus HLR 2 ko&verkko Soittaja GMSC kysyy HLR:tä minkä keskuksen alla puhelin on GMSC MSC kysyy VLR:tä, minkä BSC:n alla puhelin on vierailuverkko BSC VLR 4 MSC 3 1 Puhelu ohjataan GMSC:lle Julkinen puhelinverkko 5 BSC Puhelu ohjataan vierailuverkon MSC:lle Mobiilikäyttäjä 6 BSC lähettää hakuviestin tukiasemilleen ja pyytää puhelinta ilmoittautumaan Puhelin signaloidaan hälyttämään ja vastattaessa puhelu voidaan muodostaa
Luennon sisältö Datan siirto matkapuhelin verkoissa (GPRS, UMTS, LTE) Nopeampaa datansiirtoa Tehokkaampaa radiokaistan hyödyntämistä Bluetooth NFC
GSM 9.6 kbps 5
LangaRoman datasiirron tavoireita Siirtonopeus Viive Resurssien tehokas käyrö purskeisen datan siirrossa Määräpohjainen laskutus (aikapohjaisen asemesta) Vähäinen virrankulutus
GSM radiorajapinta Yhdistelmä FDMA (Frequency Division Mul&ple Access, taajuusjako) ja TDMA (Time Division Mul&ple Access, aikajako) tekniikoista Solu käyrää vakiotaajuura Puhelu käyrää sille soviruja aikavälejä Aikavälit (per puhelu) Nopeus 9.6 kbps Nopean datasiirron ongelma: tarviraisiin enemmän aikavälejä, mura vain datasiirron ajaksi
GPRS- verkko Rajallisten radioresurssien tehokas hyödyntäminen IP pohjaiseen &edonsiirtoon. Nopeus ~40 kbps GPRS hyödyntää samaa radioverkkoa kuin GSM Radio Access Network (RAN) BSS- järjestelmään lisätään &etoliikennepakereja välirävä yksikkö Tukiasemalta GPRS- pake&t tunneloidaan saman verkon ylitse kuin muu GSM- data (puhelut) Toimii kaikkialla missä GSM verkko on tarjolla (UMTS peiro ei välrämärä karava)
Ydinajatus KäyRää vapaita aikavälejä (1- N kpl) kun datapakereja on jonossa siirreräväksi (esim. 50 kbit/s kun käytetään &lapäises& neljää aikaväliä) Aikavälejä allokoidaan dynaamises& tarpeen mukaan Puheella prioritee`
GPRS tukiasemajärjestelmä keskusjärjestelmä PSTN MS BTS BSC MSC, VLR GMSC HLR Internet SGSN GGSN
GPRS lisää verkkoon uusia elemenrejä Serving GPRS Support Node (SGSN) on rei&&n Seuraa vies&men sijain&a VäliRää liikenteen Hoitaa laskutuksen Tunnistaa vies&men ja toteuraa muut hallintatoiminnot Gateway GPRS Support Node (GGSN) VäliRää liikenteen muihin verkkoihin Esim. IP- pakereja Interne&in Allokoi vies&melle IP osoireen Pysyy vakiona vaikka käyräjän sijain& muuruu GPRS käyrää GSM:n VLR ja HLR- rekistereitä
Mobile and IP: Rou&ng in GPRS (example) PDP Context: IMSI, P-IMSI M S SIM SGSN Data flow GGSN Internet Layer protocol IP SNDCP protocol GTP protocol IP IP Service Addressing: IP TLLI (ß P-IMSI,PDP-Context) TID (ß IMSI, NSAPI) IP (Server) Overview_CellularMobileSystems.ppt 12
Liikkuvuuden hallinta GPRS- järjestelmässä HLR ja VLR rekistereitä käyräen kuten GSM järjestelmässä Koska GPRS ei ole samalla tavalla piirikytkentäinen kuin puhelut, vaihto on yksinkertaisempi Vies&n pyytää solun vaihtoa ja liikenne rei&tetään uuteen soluun
EDGE Enhanced Data rate for GSM Evolu&on Kuten GPRS, mura uudella modulaa&olla lisää nopeura 40 kbps - > 115 kbps SaavuteRavat siirtonopeudet riippuvat &lanteesta (muut käyräjät, tukiaseman etäisyys, jne)
Modulaa&o muutos 3 bi`ä per symboli yhden asemesta Overview_CellularMobileSystems.ppt 15
Passband Transmission (1) Kuinka suuri vaihemuunnos tehdään? (a) A binary signal. (b) Amplitude shift keying. (c) Frequency shift keying. (d) Phase shift keying. Computer Networks, Fifth Edition by Andrew Tanenbaum and David Wetherall, Pearson Education-Prentice Hall, 2011
UMTS (3G) Universal Mobile Telecommunica&ons System Eli 3G Tarjoaa lisää samaa kuin GSM/GPRS/EDGE Tiedonsiirtoa 2 Mb/s tai enemmän 144 kb/s realis&sempi arvio Radiokaistan tehokkaampi hyödyntäminen
UMTS piirikytkentäinen GERAN PSTN MS BTS BSC MSC, VLR GMSC HLR UTRAN pake`välireinen Internet UE BS RNC SGSN GGSN
UMTS RAN UMTS määrirelee uuden radioverkon Laajakaistaiseen CDMA:han pohjautuva UTRAN (Universal Terrestrial RAN) 1885-2025 MHz (uplink) 2110-2200 MHZ (downlink) GSM/EDGE:n GERAN- verkko voi toimia rinnakkaises& UMTS:n kanssa Muutama uusi komponen` ja termi Radio Network Controller korvaa BSC:n Base Sta&on korvaa BTS:n User Equipment korvaa MS:n Uusia ominaisuuksia Suurempi siirtokapasitee` Soluhengitys Pehmeä tukiasemanvaihto
UMTS radiorajapinta CDMA, Code Division Mul&ple Access Kaikki tukiasemat toimivat samalla taajuudella Jokaisella käyräjällä oma koodi Oikein valitut koodit mahdollistavat useita samanaikaisia lähetyksiä samalla taajuudella Yksi bi` koodataan useaksi symboliksi, jotka saman koodin omaava vastaanoraja pystyy eroramaan taustakohinasta UE Node B Node B RNC CN Kooda%u signaali = (alkuperäinen data) X (koodi) decoding: sisätulo koodatusta signaalista ja koodista 6-20
GSM vs. UMTS radiorajapinta Aikavälit (per puhelu) 0.2 MHz 5MHz GSM Kukin käyräjä eri aikaan Kukin tukiasema eri taajuudella UMTS Kaikki yhtä aikaa samalla taajuudella Leveä kaista => suuri siirtonopeus (Nyquis&n kaava)
CDMA koodaus/dekoodaus läheräjä data bitit koodi d 0 = 1 d 1 = -1 1 1 1 1 1 1 1 1-1 - 1-1 - 1-1 - 1-1 - 1 Z i,m = d i. cm - 1-1 - 1 Kanavan ulostulo Z i,m 1-1 1 1 1 1 1 1 1-1 - 1-1 - 1 aikaväli 1 aikaväli 0 aikaväli 1 aikaväli 0 Radiolähetys - 1-1 - 1 1-1 1 1 1 1 1 1 1-1 - 1-1 - 1 M D i = Σ Z. i,m c m=1 m M d 1 = -1 d 0 = 1 koodi vastaanoraja 1 1 1 1 1 1 1 1-1 - 1-1 - 1-1 - 1-1 - 1 aikaväli 1 aikaväli 0 aikaväli 1 aikaväli 0 Vastaanotettu 6: Wireless and Mobile Networks 6-22
CDMA: kahden läheräjän tapaus LäheRäjät VastaanoRaja 1
CDMA Mitä järkeä? Symbolinopeus (chip rate) 3.84 Mchip/s KäyteRävissä olevia koodeja 512 kpl, jos käytetään 512 symbolia yhden bi&n siirtoon Tällöin siirtonopeus on 1.7 kbit/s (liian hidas jopa puheelle) Suurempiin nopeuksiin päästään jos käytään pienempi määrä symboleja yhden bi&n siirtoon 256 kpl - > 5.51 kbit/s (ääni) 8 kpl - > 384 kbit/s Tällöin samanaikaisen käyräjien määrä pienenee 8 symbolia/bi` => 7 käyräjää 256 symbolia/bi` => 255 käyräjää Systeemi säätelee automaa`ses& symbolien määrää käyräjien määrän ja tarpeiden mukaan Overview_CellularMobileSystems.ppt 24
Soluhengitys W- CDMA (Wideband Code Division Mul&ple Access) - teknologia korvaa yhden läheterävän bi&n usealla symbolilla LäheRäjällä ja vastaanorajalla on sama koodi Hajapspektritekniikka käyrää laajaa taajuuskaistaa Muiden saman taajuuden käyräjien liikenne on kuin taustakohinaa CDMA- liikenteelle SNR- suhde vaikuraa edelleenkin siirrerävän datan määrään (Shannon) CDMA- tekniikoiden yhteydessä käytetään termia Signal to Interference Ra&o (SIR) Tästä seuraa se, erä CDMA:han perustuva solu pienenee, kun liikenteen määrä kasvaa Käytetään termiä soluhengitys CDMA pystyy käsirelemään joustavas& suuremman määrän asiakkaita, mura solun koko muuruu liikenteen suhteessa
Pehmeä tukiasemanvaihto Soq Handover Vies&men (UE) laajakaistainen hajaspektriradio pystyy olemaan yhteydessä useaan tukiasemaan samanaikaises& Niinpä tukiasemanvaihdossa vies&n lisää yhden tukiaseman lisää vastaanorajiin ja pudoraa myöhemmin toisen Lisäksi vies&n voi tämän tekniikan avulla käyrää useaa tukiasemaa &edonsiirron laadun (QoS) hallintaan
HSDPA (3.5G) High Speed Downlink Packet Access 1.8, 3.6, 7.2 and 14.4 Mbit/s (42 & 84 Mbit/s with HSPA+) Paluu aikajakoon UMTS järjestelmässä, jokaisella käyräjällä oma koodi HSDPA:ssa usealla käyräjällä sama koodi, mura liikenne jaetaan eri ajanhetkiin) JaeRu kanava (High Speed Downlink Shared Channel) Järjestelmä aikatauluraa jaetun kanavan käyröä dynaamises& Lisäksi parannuksia viiveissä, kuirauksissa, modulaa&ossa, jne. 27
LTE Vain pake`dataa (Voice - >VoIP) Kaksitasoinen verkko (RNC taso poistunut) Soveltaa monia uusia radio- ja antennitekniikoita (OFDM, MIMO) Ensimmäiset kokeiluverkot käytössä 28
LTE radiorajapinta Koodinopeuden nostaminen UMTS verkoissa on hankalaa, koska eri reirejä kulkeneet signaalit tulevat puhelimeen eri aikaan LTE pojautuu OFDMA (Orthogonal Frequency- Division Mul&ple Access) teknologiaan Kokonaiskaista on jaeru kapeisiin alikaistoihin Useita alikaistoja käytetään samaan aikaan suuremman siirtonopeuden aikaansaamiseen Eri käyräjien siirtotarpeita ajoitetaan eri ajanhetkiin Monitie-eteneminen 29
LTE Architecture
LTE esimerkkiverkko 31
New services with UMTS Typical average bitrate 3G-services utilises bigger speed and/or QoS Broadband in wide area Real-time IP multimedia Some services work Video telephony Multicasting in all networks Multitasking WEB browsing Corporate data access Streaming audio/video MMS picture / video xhtml browsing Application downloading E-mail xhtml browsing Voice & SMS Presence/location GSM 10-40 kbps GPRS 30-40 kbps EGPRS 80-160 kbps Better network performance UMTS 384 kbps UMTS/HSDPA 1-2 Mbps L T E 16-150 Mbps WiMAX on hieman WLANia muisturava tapa pitkän matkan langaromaan datasiirton (tällä hetkellä sen suosio näyrää heikolta) 32
LangaRomat likiverkot WPAN Wireless personal area network Lyhyt kantama, rajallinen kapasitee` Ensisijaises& henkilökohtaisten laireiden yhdistämiseen Esim. sykemirarivyö, korvanappi Myös erilaiset sensorit, M2M kommunikaa&o Teknologioita Bluetooth, Zigbee, NFC
Bluetooth Käytössä laajasti kytkemään matkapuhelimia ja tietokoneita korvanappeihin, tulostimiin, näppäimistöihin, hiiriin, kelloihin jne. Laaja soveltuvuus vaatii erittäin halpaa toteutusta (< 5$ chip). Alhainen virrankulutus on myös keskeistä BT LE versio tulossa erittäin alhaiseen virrankulutukseen Aluksi pyrkimyksenä kaapeleiden poistaminen, nyt myös muita tavoitteita Kantama noin 10 m Siirtonopeus 1 Mbps (versiossa 2.0 2-3 Mbps)
Bluetooth Arkkitehtuuri Yksi isäntä, max 7 aktiivista orjaa (parked tilassa lisäksi 255 kpl) Kaikki kommunikaatio isännän kautta 2-N piconettiä voidaan yhdistää scatternetiksi
Bluetooth protokollapino Eri kerroksilla karkea yhteys vakioprotokollapinoon Profiilit toteuttavat vertikaalisia kokonaistoimintoja (esim. korvanappiprofiili)
Toiminta Samalla 2.4 GHz kaistalla kuin WLAN Myös muiden käyrämän kaistan hyödyntäminen pohjautuu taajuushyppelyyn Hyppelee 1600 kertaa sekunnissa eri taajuuksille Kaista jaeru 79 kpl kanavia Picone&n sisällä aikajako Isännällä parilliset aikavälit, orjilla jaeruna pariromat Data voidaan salata avaimella, jonka isäntä ja orja sopivat toisiinsa kytkeytyessään
Bluetooth low energy Nokian aloirama, nyt osa Bluetooth 4.0 standardia Pienten datamäärien siirtoon Kaksi eri versiota Single mode esim. sensoreille Dual mode esim. puhelimille
RFID Halpoja, painamalla tehtyjä tageja, yleensä ilman omaa patteria Toiminta pohjautuu tagien kykyyn heijastaa osa siihen kohdistuneesta lukijan signaalista takaisin Lukija on älykäs, tagit yksinkertaisia Tageissa voi kuitenkin olla yksinkertainen prosessori ja muistia Lukijan tulee kyetä ottamaan vataan tagilta tuleva hyvin heikko signaali NFC (Near field communication) teknologian odotetaan tekevän läpimurron matkapuhelimissa lähivuosina Maksaminen ja muut sovellutukset
EPC Gen 2 Architecture RFID architecture.
EPC Gen 2 Physical Layer Reader and tag backscatter signals.
Yhteenveto: Tulevaisuuden langaromat järjestelmät GSM GPRS EDGE UMTS 4G Suurempia siirtonopeuksia, vähemmän viiverä Yhteensopivia aikaisempien sukupolvien kanssa Piirikytkentäisestä äänen siirto - > all IP Paikallista langatonta kommunikaa&ota Bluetooth (& WLAN) NFC Näiden yhteistoiminta matkapuhelinverkon kanssa luo uusia mahdollisuuksia
Aiheesta lisää Kurose & Ross 6.2 CDMA (UMTS radiotoiminnalllisuus) 6.4 Cellular internet access (arkkitehtuuri) 6.7 Managing mobility in cellular networks MuRa huomaa, erä suurin osa luennon sisällöstä on kirjan ulkopuolelta From GSM to LTE, Mar&n Sauter, John Wiley & Sons Inc Courses at electrical engineering department at Aalto 43