inf3190 1

Trådløs kommunikasjon

Foreleser: Kjell Åge BringsrudE-mail: kjellb

inf3190 2

Mange typer trådløst

Mobiltelefoni GPRS UMTSSatelitterGeostasjonæreLavbane

Trådløs “Ethernet” - IEEE 802.11. . . Bare fantasien (og noen få fysiske lover)

setter grenser:Ad-hoc eller spontane nettverk

inf3190 3

Growth of Wireless and Broadband Internet

inf3190 4

Utstyr

inf3190 5

Explosion of New Internet Appliances

inf3190 6

Computing View of theFuture 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

inf3190 7

Heterogeneous Networks

Seamless mobility across diverse overlay networkssoftware “agents” for heterogeneity

managementIP as the common denominator?

High-tier

Low-tier

Satellite

High Mobility Low MobilityWide Area

Regional Area

Local Area

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 tracking Changing context

small movements may cause large changescaching may become ineffectivedynamic transfer to nearest server for a service

Localization

inf3190 9

Så litt mer konkret.......

inf3190 10

Trådløst “Ethernet”

IEEE 802.11 Tre overføringsmetoder

Spredt spektrum (to typer)Diffus infrarød

Avstand: 5 cm til 5 km Spredt spektrum kan sendes i alle retninger eller

konsentreres i en bestemt retningMaksimum tillatt sendestyrke, derfor går bølgene lengst når de er rettet (vi har målt opp til 5 km.)

inf3190 11

Spredt spektrumSprer signalet over et (stort) frekvensområdeSignalet 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 sted

Direkte sekvens:hvert bit i rammen representert ved flere bit i det fysiske

signalet (OR-er med random sekvens)

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

inf3190 13

Trådløs Ethernet

Ethernet, Men 1:Når både A og C sender til B blir det kollisjon som ingen av dem oppdager

A B C

A og Cser ikkehverandre(skjulte noder)

inf3190 14

Trådløs Ethernet Men 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

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 nær

mottakeren, og må ikke sende selv i dette tidsrommet Alle som bare hørte forespørselen om å sende (men ikke

svaret) kan gjerne sende selv

inf3190 16

Kollisjon og retransmisjon

Når to sendeforespørsler kolliderer vil mottaker ikke skjønne meldingen og gir ikke noe svar

Nå 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 retransmitteres pakken

inf3190 17

Aksesspunkter og celler

B C

A, B og C er aksesspunkter M (mobil) sender “Probe”-pakke (til alle) A svarer at den eksisterer med å sende “Probe Response” pakke til M M godtar A som aksesspunkt og svarer til A: “Association Request” A besegler forbindelsen ved å svare “Association Response” til M

A

MDistribusjonsnett

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

inf3190 19

Bluetooth –En global standard for trådløs

konnektivitet

inf3190 20

Hvem er Bluetooth (Blåtann)

Harald Blåtand “Bluetooth” II:• Konge av Danmark 940-981.

- Sønn av Gorm den Gamle (Konge av Danmark) og Thyra Danebod (datter av kong Ethelred av England)

• Dette er en av to runestener som er reist i hans hovedstad Jelling (sentrale Jylland)

- Harald kontrollerte Danmark og Norge

• I begynnelsen var Bluetooth bare et prosjekt-navn

• Nå er Bluetooth det offisielle navnet på teknologien.

inf3190 21

IEEE 802.15

Den første standarden til IEEE 802.15Working Group for Wireless Personal Area Networks (WPANs) baserer seg på Bluetooth™ Special Interest Group (SIG) v1.0 specifikasjonen. Nå v.4.0.

inf3190 22

Hva er Bluetooth?Teknisk

Universelt radio-grensesnitt for ad hoc, trådløs konnektivitetData-forbindelse via kort-distanse (10m) ad hoc

nettverk som benytter det lisens-frie 2.45 GHz (ISM) bandLavkost RF moduler Lavt strømforbrukTale- og data-overføringAnvendelse hovedsakelig for alle portable

innretninger

inf3190 23

Erstatning for kabel

PC tilbehørTrådløs mus og tastaturSkriver-forbindelseForbindelse til “palms” og modem

Tale-anvendelserTrådløst headset

Handsfree bil-settEnhver mobiltelefon

Kan benyttes i enhver bil

inf3190 24

Forbindelses-parametere

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

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)

inf3190 25

Nett-topologiPiconet

2 eller flere Bluetooth enheter utgjør et piconetEnheter som er bundet sammen kan være

“master” eller “slave”master kan samtidig knytte seg til maks. 7

slaver pr. piconet En spesifikk hopp-sekvens som bruker alle 79

RF kanalene brukes for forbindelsen (logisk kanal)

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 datarate på 1 Mbit/s

Ikke-piconet enheter er i standby

M

S

S

S

sb

inf3190 26

Nett-topologiScatternet2 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

inf3190 27

FH/TDD kanalEn Bluetooth kanal representeres ved en pseudo-random

hopping-sekvens gjennom de 79 RF kanalene til 2,45 GHz båndet

Tidsdelt duplex (TDD) overføring brukes innen en Bluetooth kanal

625 µs

t

t

f(k) f(k+1) f(k+2)

Master

Slave

inf3190 28

Blandet link eksempelMASTER

SLAVE 1

SLAVE 2

SCO SCO SCO SCOACL ACLACL

• SCO: Synchronous Connection-Oriented link- punkt-til-punkt mellom master og

en 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

inf3190 29

Robust Operasjon Rask 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 kanalKan 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

inf3190 30

Automatisk Retransmisjon

MASTER

SLAVE 1

SLAVE 2

A B B CX

Z Z

F G H

NAK ACK

inf3190 31

Bluetooth Adressering

Bluetooth enhets-adresse48 bitUnik adresse verden over for enhver

Bluetooth enhetAktiv medlem adresse

3 bitIdentifiserer de 7 slavene i et piconet

Parkert medlem adresse8 bitSkiller slaver i parkert modus

- -

inf3190 32

Funksjonell Oversikt Standby

Venter på å slutte seg til et piconet

ForespørselSpørre etter enheter å

knytte seg til Tilkople (page)

Kople til en bestemt enhet Oppkoplet

Aktiv på et piconet(master eller slave)

Parkert/HoldOppkoplet tilstand med lavt

strømforbruk

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

inf3190 33

Batteri levetid

Lavt strømforbruk

( Estimatene nedenfor er beregnet med 600 mAh battery, strømmen vil variere med implementasjonen)

Standby strøm < 0.3 mA 3 måneder

Tale modus 10 mA60 timer

Data modus, gjennomsnittelig 6 mA (20% utnyttelse)100 timer

Lav-energi arkitekturHold/Parkert modus 60 µA

Enheter som er tilkoplet, men som ikke deltarEnheter kan delta i løpet av 2 ms1 års levetid for batteriet

inf3190 34

IEEE 802.16Trådløs MAN

inf3190 35

inf3190 36

Skille mellom:

Fysiske Lag MAC Lag QoS

inf3190 37

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 telefonsentraler Tale over IP TCP/IP Aplikasjoner med ulike QoS krav.

inf3190 38

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

inf3190 39

Fysiske laget MAC laget QoS

inf3190 40

Adaptive PHY

inf3190 41

Baud Rates & Channel Size (10-66 GHz)

inf3190 42

Fysiske laget (1)

”Burst single-carrier” modulasjon Tillater 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

inf3190 43

Tids-Delt Duplex overføring (TDD)

inf3190 44

Tidsluker

Bruker både TDM (Tids-Delt Multipleksing) og TDMA (Tids-Delt Multiple Aksess)

Hva er forskjellen? Ikke mye, men hvert TDMA burst har et preamble foran seg

TDM TDMA

inf3190 45

Frekvens-Delt Duplex overføring (FDD)

Frekvens-spektret deles opp i unike frekvensbånd eller kanaler.

Disse kanalene tilordnes brukere på forespørsel.

Flere brukere kan ikke dele en kanal. Brukere tildeles en kanal som et par av

frekvenser (fram- og tilbake-kanaler) FDD krever RF filtrering for å redusere

interferens mellom tilstøtende kanaler.

inf3190 46

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

inf3190 47

Fysiske laget

MAC Laget QoS

inf3190 48

802.16 MAC: Overview

• Point-to-Multipoint • Metropolitan Area Network • Connection-oriented • Supports difficult user environments

– High bandwidth, hundreds of users per channel– Continuous and burst traffic – Very efficient use of spectrum

• Protocol-Independent core (ATM, IP, Ethernet, …) • Flexible QoS offerings • Supports multiple 802.16 PHYs

inf3190 49

MAC PDU Transmission

inf3190 50

MAC PDU format

inf3190 51

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).

inf3190 52

FDD burst innramming

inf3190 53

Downlink transmissions

• Two kinds of bursts: TDM and TDMA • All bursts are identified by a DIUC

– Downlink Interval Usage • Each terminal listens to all bursts

except when told to transmit• Each burst may contain data for

several terminals

inf3190 54

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.

inf3190 55

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

inf3190 56

Fysiske lag

MAC Laget

QoS

inf3190 57

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

inf3190 58

Stikkord vedrørende 802.16a utvidelsen

Maskenett topologi Fri sikt kreves ikke 2-11 GHz ARQ støtte (Automatic repeat request)

Mer QoS signallering Dynamisk frekvens-valg, for å unngå

interferens med WLAN.

inf3190 59

Roaming/Mobility Models

inf3190 60

Ad Hoc Networks

Rapidly deployable infrastructure Wireless: cabling

impractical Ad-Hoc: no advance

planning Backbone network:

wireless IP routers

• Network of access devices• Wireless: untethered• Ad-hoc: random deployment

• Edge network: Sensor networks, Personal Area Networks (PANs), etc.

• Disaster recovery• Battlefield• ‘Smart’ office• Etc.

inf3190 61

Oppsummering, trådløse nett

Tekniske attributter: Mobilitet, portabilitet Dekningsgrad Frekvensområde Frekvenshopping Tidsdelt dupleks (TDD) Interferens Innramming Adressering Strømforbruk QoS Sikkerhet

Virkemåte IEEE standarder:

Trådløst ”Ethernet” (WLAN; IEEE 802.11)

Bluetooth(WPAN; IEEE 802.15)Trådløst MAN

(WMAN; IEEE 802.16)