Rkantola/18.10.00/s38.118 1

Mobiiliverkot ja liikkuvuuden hallinta

Liikkuvuuden vaikutus verkkoon

Erilaiset liikkuvuusratkaisutRaimo Kantola

raimo.kantola@hut.fi

SG210, 4512471

Rkantola/18.10.00/s38.118 2

Liikkuvuus vaatii loogiset tilaajanumerot, jotka täytyy kuvata verkon topologiaan

• Topologiaa kuvaavat reititysnumerot.• Tarkastellaan esimerkkiä: 109 tilaajaa, tilaajanumeron pituus 13 nroa

Lasketaan karkea muistitarve analyysille: Analyysipuu koostuu 64 oktetin solmuista, joissa kussakin analyoidaan 1 nro.

Solmujen määrä on

1 + m + m2 + … m12 = m13 - 1

m - 1= 305 miljoonaa

m13 = 109 13 lg m = 9 m = 4.92

Numeropositioiden käyttöaste:

Rkantola/18.10.00/s38.118 3

Puhelinkeskuksen numeroanalyysipuu liittää väylöityksen signaloinnista saatavaan tietoon

ABC - suuntaABCd - lyhin tilaajanumeroABCdefgh - pisin tilaajanumero

A

B

C

d

e

f

g

h

Noodit d,e,f,g,h tarvitaan numeropituudesta ja solmusta riippuen

Buckets

signaloinnista:

Oletamme ettäanalyysi tehdäänpuumaisellatietorakenteella.

Rkantola/18.10.00/s38.118 4

Tilaajanumerolasku jatkuu ...Muistitarve analyysipuulle on 64 * 305 * 106 = 19 Gb

• Tämän monistaminen useaan paikkaan tulee kalliiksi.• Lukeminen tästä tietokannasta vaatii 13 muistihakua, mikä ei sinänsä ole ongelma• Isoin tekninen ongelma on päivitykset:

Oletus:- yksi päivitys vaatii 50b viestin- kaikki päiv. 6h aikanaHuom:- päivityksiä/tilaaja voidaan varmuussyistä joutua tekemään merkittä- västi useammin.

Päivitysliikenne Mbit/s

1

10

100

1000

0,01 0,1 1 10

Päitityksiä/tilaaja/päiväVaatii osittamista!

Rkantola/18.10.00/s38.118 5

Yksi ratkaisu on tietokannan osittaminen operaattoreittain ja prefiksittäin

• GSM noudattaa tätä ratkaisua:– yksi HLR tietää muutaman sadan tuhannen tilaajan

sijainnin vierailurekisterin tarkkuudella

– tilaajanumeron ensimmäiset numeropaikat määräävät miltä HLR:ltä on kysyttävä sijaintia

– päivitysten määrää vähentää myös sijaintialuehierarkia• Kaikkia muutoksia ei tarvitse välttämättä päivittää HLR:lle

asti.

– Tilaajalla on MS-ISDN “tilaajan luettelonumero” jaerillinen reititysnumero (MSRN).

Rkantola/18.10.00/s38.118 6

MSC/VLR-alue

Sijaintialue

Sijaintialuehierarkia GSM:ssä

Sijaintialue

HLR tietää keskuksen/vierailurekisterin

Vierailurekisteri tietää- käytännössä joukko soluja- päivitys kerran/6 min….24h ja virta päälle/pois yms ehdoilla- sijainnin päivityksessä myös autentikointi

SoluSolu

Lopullinen sijainti selviäähakualgoritmin (paging) avulla:- kutsu lähetetään kaikissa soluissa- MS vastaa omassa solussa- näin voidaan valita paras solu

Rkantola/18.10.00/s38.118 7

Lasketaan sijainnin päivitysliikenteen määrä 200 000 tilaajan HLR:ssä

• 200 000 tilaajaa

• 1 päivitys/5min/tilaaja

• karkea oletus: olkoon 1 päivitys = 100 oktettia

Liikenne = 200000 * 100 * 8/(5*60) = 0,53Mbit/s.

Voidaan kuljettaa yhdellä PCM-johdolla! Tuntuu toimivaltaratkaisulta.

Rkantola/18.10.00/s38.118 8

Kiinnostavaa on tarkastella todennäköisten kanavanvaihtojen määrää puhelun aikana

Kanavanvaihtojen määrä

0,01

0,1

1

10

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Solun säde km

Nopeus 5 km/h

Nopeus 15 km/h

Nopeus 50 km/hNopeus 100 km/hNopeus 150 km/h

Toimivassa arkkitehtuurissa pysyy mieluiten alle yhden!

Puhelun pituus 3 min

Rkantola/18.10.00/s38.118 9

GSM arkkitehtuuri

HLR/AC/EIR

MSC

VLRBSC

HLR - Home Location Register (kotirekisteri)AC - Authentication Center (Varmennekeskus)EIR - Equipment Identity Register (laiterekisteri)MSC - Mobile Switching Center (matkapuhelinkeskus)VLR - Visitor location Register (vierailijarekisteri)BSC - Base Station Controller (tukiasemaohjain)BTS - Base Transceiver Station (tukiasema)

BTS

soluja

BSCMS= ME+SIM

BTS

Rkantola/18.10.00/s38.118 10

HLR reititystietokyselyn avulla MS löytyy päättyvässä puhelussaPSTN GMSC HLR MSCVLR

ISUP - IAMSendRoutingInformation ProvideRoamingNumber

ProvideRoamingNumberACKSendRoutingInformationACK

ISUP - IAM (normaalin merkinannon aloitussanoma)

MSRN - Mobile Subscriber Roaming Number toimii reititysnumerona

- noudattaa E.164 formaattia (tavallisetkin keskukset pystyvät käsittelemään)

- kullakin MSC:llä on rajallinen määrä MSRN:iä

- MSRN:llä on voimassaoloaika

- MSRN voidaan allokoida puhelu kerrallaan tai vierailun ajaksi

MAP/C MAP/D

Rkantola/18.10.00/s38.118 11

Monikerroksisella solukkoverkolla saadaan lisää kapasiteettia

GSM900 makro

GSM1800 makro

GSM1800 mikro

GSM900 mikro

Solun valinta pyrkiisijoittamaan nopeastiliikkuvat MSt ylös.

Rkantola/18.10.00/s38.118 12

Muuttuuko tilanne jos tilaajanumerot ovat binäärisiä?

• Esim: 109 tilaajaa, tilaajanumeropituus 128 bittiä

Lasketaan karkea muistitarve analyysille: Analyysipuu koostuu 64 oktetin solmuista, joissa kussakin analyoidaan 4 bittiä.

m - 1

Solmujen määrä on

1 + m + m2 + … m7 = m8 - 1

= 114 miljoonaa

Ei oleellista vaikutusta!

m8 = 109 8 lg m = 9 m = 13.34

hexa -positioiden käyttöaste:

Rkantola/18.10.00/s38.118 13

Brute force ratkaisu IP -mobiliteetille

Muistitarve analyysipuulle (=RT) on 64 * 114 * 106 = 7.3 Gb

• Brute force ratkaisussa tämä päivitetään kaikkiin reitittimiin, mikä on käytännössä mahdotonta!• Lukeminen tästä tietokannasta vaatii 8 muistihakua, mikä ei sinänsä ole ongelma• Isoin tekninen ongelma on päivitykset!

• Mobiliteettiarkkitehtuurin pitää pudottaa päivitysliikenne merkittävästi alle solmun hyötyliikenteen määrän• Päivittäminen paikkoihin, joissa ei lukuja, pitää eliminoida tai ainakin minimoida

Kaksi ratkaisuesimerkkiä: Mobile-IP ja GPRS.

Rkantola/18.10.00/s38.118 14

Liikkuvuus pakettiverkossa/tausta

• Reititys perustuu reititystauluihin, joita luetaan pakettikohtaisesti.

• Reitittimet ylläpitävät reititystaulujaan reititys-protokollien avulla

• Taulun toteutuskelpoinen koko luokkaa alle 100 000 riviä. Haku kohdeosoitteen perusteella vaatii monta muistiviittausta (<32).

Lähtöportti/Seur. R IP-os

Kohde-IP osoite

RT

- 100m käyttäjän verkossa päästään toteutuskelpoiseen RT kokoon allokoimalla IP-osoitteet verkkokohtaisesti (provider addressing) ja hakemalla taulusta osoiteprefiksin avulla (eli tuskin koskaan käytetään täyttä 32 bitin IP-osoitetta

Rkantola/18.10.00/s38.118 15

Mobile-IP:ssä käyttäjällä on kotiagentti ja vierailija-agentti

CorrespondentHost

1

3 ForeignAgent

ForeignAgent

Mobiili

Care-of-Address

HomeAgentHomeAgent

Mobiilin Kotiverkko

Mobile’s Home-IP-Address

Mobiilin täytyy päivittääsijaintinsa tänne aika ajoin

1 - normaali IP -reititys2 - tunneli HA ->FA3 - normaali IP - reititys

tunn

el

Tunnel =IP over IP

2

Rkantola/18.10.00/s38.118 16

Mobile-IP:ssä kolmioreititys voidaan myös välttää

HomeAgentHomeAgent

Mobiilin Kotiverkko

ForeignAgent

ForeignAgent

Mobiili

CorrespondentHost MAY have a binding cache

1

2a

2b

Binding Update

Bin

ding

war

ning

3

54

Rkantola/18.10.00/s38.118 17

Mobile-IP:n piirteitä• Care-of-address muutokset autentikoidaan.• Reitityksen optimointi on luonnos, ei perus-

Mobiili-IP:n osa– reitityksen optimointi voi yrittää myös pelastaa

liikkuvalle mobiilille menossa olevia sanomia vanhan ja uuden FA:n neuvottelulla

• Ei ota kantaa radiotekniikkaan tms siirtokerroksen asioihin.

• Ei huolehdi siitä, kuka verkot omistaa ja kuka liikennöinnin maksaa.

Rkantola/18.10.00/s38.118 18

GSM:n pakettiliikennelaajennus on GPRS

Circuit switched time slots

Circuit switched time slots

Circuit switched time slots

Additional GPRS

Default GPRS

Dedicated GPRS time slotsm

ax

max

Trx 1

Trx n

Kullakin trx:llä 8 aikaväliä, jotka onluokiteltu:- puhtaasti puhelukäyttö- puhtaasti pakettikäyttö (optio)- pakettikäyttö oletuksena (pidetään vapaana puheluista vaikka kana- vanvaihdoin- pakettikäyttö mahdollinen, jos ei puheluliikennettä.

Valitsemalla alueiden koko sopivasti piiri- ja pakettikytkentäisen liikenteenvälille syntyy elastinen raja siten, että palvelun laatu, liikennetulot ja verkon käyttöaste optimoituvat. Alueiden määrittely on GPRS:n tuoma verkon suunnittelun lisätehtävä.

Rkantola/18.10.00/s38.118 19

GPRS:ssä liikkuvuudesta huolehtii SGSN ja liitännästä eri verkkoihin GGSN

BSC

BTS

soluja

BSCMS= ME+SIM

BTS

Liitäntä piirikytkentäiseen verkkoon

SGSN

GGSN

Yrityksen XyzIntranet

GGSN

GGSN

HLR/AC/EIR

JulkinenInternet

Yrityksen ABcIntranet

SGSN - Serving GPRS Support NodeGGSN - Gateway GPRS Support NodeMS ja GGSN välillä on “konteksti”

Tunneli/konteksti

Rkantola/18.10.00/s38.118 20

GPRS liikkuvuuden hallinta

IDLE

STANDBY

READY

Mobiliteettitilamalli

Atta

ch

Det

ach

Rea

dy ti

mer

Sta

ndby

t im

er

PD

U v

älity

s

Verkko ei seuraa MS:n sijaintia

Tilaaja on aktiivinen. Verkko seuraatilaajaa solun tarkkuudella

MS on online -valmiustilassa, mutta ei juurinyt välitä paketteja. Verkko seuraa tilaajaareititysalueen tarkkuudella:solu < RA < sijaintialue. MS löytyy solu-joukosta pagingillä.

Rkantola/18.10.00/s38.118 21

GPRS:n piirteitä• Verkossa kaksi liikkuvuuden hallintaa: piirikytkentäisten

palveluiden ja pakettipalveluiden.• GGSN omistaa mobiilin ulospäin näkyvän IP -osoitteen.

GGSN:stä ulospäin toimii normaali IP-reititys.• BSC-SGSN-GGSN (+HLR) verkko huolehtii liikkuvuudesta,

käyttää sisäisiä topologiasidonnaisia IP-osoitteita. Vrt: SGSN/FA, GGSN/HA.

• Tunnelissa MS - GGSN on kaksi IP-verkkoa päällekkäin: IP-pohjainen siirtoverkko ja sovellusten näkemä IP -hyötyverkko.– Ratkaisuun joudutaan, jotta verkkojen omistussuhteet ja liikennevastuut

voidaan hallita– Header overhead on suuri (>100 oktettia)

Rkantola/18.10.00/s38.118 22

GSN to GSN verkossa on suuri header overhead

RTP

UDP

IP

GTP

UDP

IP

L1

L2

Esim 20ms puhebitit

RTP

UDP

IP

GTP

UDP

IP

L1

L2

GSN1 GSN2

Gnrajapinta

12

8

20

8

20

Puhepaketti 6...12kbit/s vie 15 …30 oktettia.

Jos alla on ATM-verkko(48 oktettia hyötytietoa +5 oktettia otsikkoa/solu), paljonko on overhead?

Rkantola/18.10.00/s38.118 23

Yhteenveto• Piirikytkentäisen ja pakettikytkentäisen verkon

liikkuvuusratkaisut eroavat toisistaan.

• GMSC kysyy puhelukohtaisesti HLR:ltä reititysohjetta: keskitetty arkkitehtuuri toimii.

• Pakettiverkossa ei voida pakettikohtaisesti kysellä ulkopuoliselta solmulta, minne paketti laitetaan. Liikkuvuusratkaisu on joko adaptiivinen tai hajautettu.

• GPRS ja mobile-IP arkkitehtuurit ovat saman kaltaiset– GPRS on sovitettu huolella yhteen GSM:n kanssa.

– GPRS:ssä on huolehdittu siitä, kuka verkon laitteet omistaa ja kukasaa missäkin liikennöidä ja millä oikeuksilla.