Corr pre 2010
BMS Bezdrátové a mobilní sítě Petr Hanáček Faculty of Information Technology Technical University of Brno Božetěchova 2 612 66 Brno tel. (05) 4114 1216 e-mail:
[email protected] Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 1
BMS - Bezdrátové a mobilní sítě • Cíle – Seznámit studenty se základní koncepcí a strukturou moderních bezdrátových a mobilních komunikačních sítí. – Popis a řešení nejpoužívanějších systémů pro mobilní komunikaci a bezdrátové počítačové sítě.
• Kontrola studia: samostatné projekty, půlsemestrální zkouška, závěrečná zkouška • Projekty • Homepage: http://www.fit.vutbr.cz/study/courses/BMS/
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 2
Průběh semestru • Úvod, definice pojmů, historie • Bezdrátový přenos dat, kmitočty a plánování, ČTÚ, antény, šíření signálu • Principy modulace, rozprostřené spektrum, celulární systémy • Přístup k médiu • Systémy mobilní komunikace - GSM, GPRS, HSCSD, EDGE • Bezdrátové komunikační systémy - TETRA, CDMA2000 • Satelitní komunikační systémy • Broadcastingové systémy, digitální rozhlas • Lokalizační systémy GPS • Bezdrátové lokální sítě, Wifi, Bluetooth • Síťové protokoly, mobilní IP, ad-hoc sítě • Transportní protokoly, spolehlivý přenos, řízení toku • Podpora pro mobilitu, WWW, WAP, i-mode, J2ME Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 3
Mobile Communications • Schiller, J.: Mobile Communications – Addison-Wesley, 2003, 512 p, ISBN 0-321-12381-6 Chapter 10: Support for Mobility
• Obsah
Chapter 9: Mobile Transport Layer Chapter 8: Mobile Network Layer Chapter 4: Telecommunication Systems
Chapter 5: Satellite Systems
Chapter 6: Broadcast Systems
Chapter 7: Wireless LAN
Chapter 3: Medium Access Control Chapter 2: Wireless Transmission
Některé obrázky a slajdy převzaty se svolením autora J. Schillera. Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 4
Úvod
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 5
Bezdrátové a Mobilní komunikace • Dva aspekty mobility: – Mobilita uživatele: uživatel se pohybuje v prostoru (nutnost bezdrátového připojení) – Portabilita zařízení: zařízení může být připojeno k síti kdekoli (ne nutně bezdrátově)
• Bezdrátový
8 8 9 9
Petr Hanáček
Mobilní
8 9 8 9
Příklad
Kancelářský počítač Notebook v hotelu Bezdrátová LAN v klášteře PDA, mobilní telefon
BMS0x0 Slide 6
Mobilní zařízení Pager • pouze přijímá • malý displej • textové zprávy
Smartphone • jednodušší grafický displej • rozpoznávání znaků • zjednodušené WWW
Notebook • plně funkční PC • standardní aplikace
Senzory, vestavěné kontroléry
Mobilní telefon • hlas, data • jednoduchý grafický displej
výkon
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 7
Vliv portability zařízení • Spotřeba proudu – Omezený výpočetní výkon, menší paměťová kapacita kvůli menší spotřebě
• Ztráta dat – Větší pravděpodobnost (poškození, krádež, ztráta)
• Omezené uživatelské rozhraní – Kompromis mezi portabilitou a velikostí prstů – Integrace rozpoznávání písma a hlasu
• Omezená paměť – Omezení pamětí s pohyblivými součástmi (disky) – Plovodičové flash paměti
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 8
Bezdrátové vs. Pevné sítě • Větší procento ztracených dat - interference – Vyzařování – např. motory, výboje, …
• Restriktivní regulace kmitočtového spektra – Využití frekvencí je koordinováno, užitečné jsou skoro všechny obsazeny
• Nižší přenosové rychlosti – Např. čisté GSM má 9.6kbit/s
• Větší zpoždění, větší jitter – Někdy až stovky milisekund (zvláště u satelitů)
• Nižší bezpečnost, aktivní útoky – Éter je dostupný komukoli, stanice může být simulována
• Sdílené médium – Jsou třeba bezpečné přístupové mechanismy
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 9
Historie bezdrátové komunikace • Začalo to světelnými signály – Heliografy (slunce a zrcadla), vlajky, ... – 150 BC kouřové signály; (Polybius, Řecko) – 1794, optický telegraf, Claude Chappe
• Elektromagnetické vlny: – 1831 Faraday demonstroval elektromagnetickou indukci – J. Maxwell (1831-79): teorie elektromagnetického pole, vlnová rovnice (1864) – H. Hertz (1857-94): demonstruje experimentálně vlnový charakter přenosu elektromagnetické energie prostorem (1888, Karlsruhe)
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 10
Historie bezdrátové komunikace I • 1895 - Guglielmo Marconi – První demonstrace bezdrátové telegrafie (digitální přenos!) – Přenos na dlouhých vlnách, nutný velký vysílací výkon (> 200kW)
• 1901 - První transatlatnické spojení • 1906 - Vynález vakuové elektronky (Lee DeForest a Robert von Lieben) • 1907 - Komerční transatlantická spojení – Velké základnové stanice
• 1915 - Bezdrátový přenos hlasu New York - San Francisco • 1920 – Objev krátkých vln Marconim – Odraz od ionosféry – Menší vysílač a přijímač
• 1926 – První vlakový telefon Hamburg - Berlin – Drátové vedení souběžné s tratí Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 11
Historie bezdrátové komunikace II • • •
1928 – První pokusy o TV vysílání, John L. Baird 1933 – Frekvenční modulace (Edvin. H. Armstrong) 1958 - A-Netz v Německu – analogová, 160MHz, volání pouze z mobilní stanice, žádný handover, 80% pokrytí, 16 kg, 1971 - 11000 zákazníků
•
1972 - B-Netz v Německu – analogová, 160MHz, volání i z pevné sítě (musela být známa poloha mobilní stanice) – Dostupná také v AT, NL a LUX, 1979 13000 zákazníků
• •
1979 - NMT na 450MHz (Skandinávské země) 1982 - Počátek specifikace GSM – Cíl: celoevropský standard pro digitální mobilní telefoby s roamingem
• •
1983 – Start amerického AMPS (Advanced Mobile Phone System, analogový) 1984 - CT-1 standard (Evropa) pro bezdrátové telefony Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 12
Historie bezdrátové komunikace III • 1986 - C-Netz v Německu – Analogová, 450MHz, handover, digitální signaling, automatická lokalizace mobilního zařízení – Používala se až do roku 2000, služby: FAX, modem, X.25, email, 98% pokrytí
• 1991 – Specifikace DECT – Digital European Cordless Telephone (dneska: Digital Enhanced Cordless Telecommunications) – 1880-1900MHz, dosah 100-500m, 120 duplexních kanálů, 1.2Mbit/s datový přenos, šifrování hlasu, autentizace, kapacita až několik 10000 uživatelů/km2, používaná ve více než 50 zemích
• 1992 - Start GSM – – – –
Plně digitální, 900MHz, 124 kanálů automatická lokalizace, handover roaming ve více než 170 zemích služby: data 9.6kbit/s, FAX, SMS, ...
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 13
Historie bezdrátové komunikace IV • 1994 – DCS 1800 (GSM 1800) – GSM na 1800MHz, menší buňky – Dnes běžně kombinováno s GSM 800
• 1996 - HiperLAN (High Performance Radio Local Area Network) – ETSI, typ 1: 5.15 - 5.30GHz, 23.5Mbit/s – Doporučení pro typ 2 a 3 (oba na 5GHz) a 4 (17GHz) jako bezdrátové ATM sítě (až do 155Mbit/s)
• 1997 - Wireless LAN - IEEE802.11 – IEEE standard, 2.4 - 2.5GHz a infračervený přenos, 2Mbit/s – Už při spuštění bylo k dispozici hodně (proprietárních) produktů
• 1998 – Specifikace následovníků GSM – Např. UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)
• 1998 - Iridium – 66 satelitů (+6 záložních), 1.6GHz downlink – Satelity rozmístěny, krach obchodního modelu Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 14
Historie bezdrátové komunikace V •
1999 – Standardizace dalších systémů pro wireless LAN – IEEE standard 802.11b, 2.4-2.5GHz, 11Mbit/s – Bluetooth, 2.4Ghz, <1Mbit/s
•
1999 – Rozhodnutí o IMT-2000 – International Mobile Telephony 2000 – vize jediného globálního standardu pro bezdrátové sítě – Několik kandidátů: UMTS, cdma2000, DECT, …
•
1999 - Start WAPu (Wireless Application Protocol) a i-mode – První kroky k propojení mobilních systémů s internetem – Přístup k internetovým službám přes mobilní telefon
•
2000 - GSM s rychlejšími datovými přenosy – HSCSD nabízí až 57,6kbit/s – První pokusy s GPRS na 50 kbit/s (paketově orientované!)
•
2001 - UMTS aukce – Eurotel a T-Mobile koupili licenci za 3.5 miliardy Kč
•
2001 – Start prvních 3G systémů – Cdma2000 v Koreji, UMTS v Evropě, Foma (skoro UMTS) v Japonsku
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 15
Bezdrátové systémy mobilní telefony 1981: NMT 450
satelity
1983: AMPS
1986: NMT 900
1992: GSM
1994: DCS 1800
analogové
1982: Inmarsat-A
1991: D-AMPS
1984: CT1 1987: CT1+ 1989: CT 2
1992: Inmarsat-B Inmarsat-M
1993: PDC
1998: Iridium 2000: GPRS
bezdrátové LAN
1980: CT0
1988: Inmarsat-C
1991: CDMA
bezdrátové telefony
1991: DECT
199x: proprietary 1997: IEEE 802.11 WiFi 1999: 802.11b WiFi, Bluetooth 2000: IEEE 802.11a WiFi
2001: IMT-2000
digitální
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 16
Oblasti aplikací
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 17
Dopravní prostředky
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 18
Nomadický uživatel • • • •
Má notebook / netbook / tablet / smartphone Je stále připojený k sieti Přistupuje ke svým datům Přistupuje např. k podnikovému serveru • Chce se připojit k lokální tiskárně
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 19
Smartphone, tablet • • • • • •
Mobilní telefony jsou stále chytřejsí Konvergence s PDA ? Hlasové služby, video Email, IM (Instant Messaging) Hry (multiplayer) Lokalizační aplikace – Mapy – Lokalizace zařízení
• OS Android – systém vyvinutý firmou Google a je určený do smartphonů – momentálne google pracuje na oficiální verzi pro tablety
• …
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 20
Ubiquitous a wearable computing • Malé vestavěné počítače • V oblečení • Nošené na těle
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 21
Inteligentní kancelář a dům • Bluetooth nahrazuje kabely • Plug and Play (ale bez Plug) • Například připojení k tiskárně • Dům pozná osobu • Dům reguluje teplotu podle osoby v místnosti • Bezdrátové lokální sítě • V historických budovách • Sítě bez kabelů
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 22
Konferenční místnosti • Okamžité sdílení dat • Posílání zpráv osobám v sále • Tajné elektronické hlasování • Nalezení osoby s podobnými zájmy • Rozesílání informací o změnách v programu • Ad-Hoc sítě
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 23
Taxi/Policie/Hasiči/… • Dispečerské hlasové systémy – Policie – IZS, HZS, ZZS,… – Doprava
• Datové systémy – Dopravní podnik – Lokalizace tramvají, sanitek,… – …
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 24
Vlk samotář • • • •
Cestovatelé Jachtaři Zpravodajové Přírodovědci
• Obvykle satelitní – Iridium - krach
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 25
Záchranáři • Po zemětřesení, tsunami,… • Neexistuje infrastruktura (je zničena) • Satelitní sítě • Ad-Hoc sítě
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 26
Monitorování a varování • Včasné varování – Tsunami
• Sledování přírody – Monitorování zvířat
• Meteorologické stanice
• Satelitní sítě • Ad-Hoc sítě
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 27
Herní konzole • Současný standard: – připojitelná k jiným konzolím – wifi – web browser
• Sony PSP • Nitendo DS
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 28
Vojenství • Senzorové sítě – Smart Dust
• Komunikace v místech, kde není infrastruktura
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 29
Úrovně sítí
Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 30
Použitý referenční model
Application
Application
Transport
Transport
Network
Network
Data Link Physical Radio
Petr Hanáček
Network
Network
Data Link
Data Link
Data Link
Physical
Physical
Physical Medium
BMS0x0 Slide 31
Jednotlivé vrstvy • Application layer • Transport layer • Network layer • Data link layer
• Physical layer
Petr Hanáček
– – – – – –
Lokalizace služeb Nové aplikace Adaptivní aplikace Řízení toku dat QOS - quality of service Adresování, směrování, lokalizace zařízení – handover – – – – – – – –
Autentizace Multiplexování Přístup k médiu Šifrování Modulace Interference Řízení výkonu Frekvence
BMS0x0 Slide 32
Globální pohled na sítě
Regionální sítě vertikální handover Metropolitní sítě
Lokalitní (campus-based) sítě
horizontální handover
Domácí sítě Petr Hanáček
BMS0x0 Slide 33
