Hálózati architektúrák és rendszerek. Nyilvános kapcsolt mobil hálózatok (celluláris hálózatok)

Hálózati architektúrák és rendszerek Nyilvános kapcsolt mobil hálózatok (celluláris hálózatok)

1

A tárgy felépítése (1) † †

† †

† †

Lokális hálózatok. Az IEEE architektúra. Ethernet Csomagkapcsolt hálózatok „ „ „

IP-komm. Az Internet Végpontok közötti kapcsolat, transzport-prot., TCP, UDP A TCP/IP protokoll-család. Alkalmazási példa: VoIP

„

PSTN, ISDN, 2. generációs cellás mobil-rendszerek

„ „ „

SDH – Synchronous Digital Hierarchy ATM – Asynchronous Transfer Mode MPLS – Multi-Protocol Label Switching

„ „

Alapok Wavelength routing és csomagkapcsolás

Áramkörkapcsolt hálózatok Kapcsolat-orientált hálózatok

3. generációs mobil rendszerek Optikai kommunikáció

2

A tárgy felépítése (2) †

†

† † †

Hozzáférési hálózatok: „ „ „

xDSL FTTx, xPON CATV

„ „ „ „

Áttekintés PAN, Bluetooth WiFi WiMAX

„ „

A távközlési megközelítés NGN a mobil világban: 4G vagy B3G (Beyond-3G)

Szélesávú vezetéknélküli hozzáférés (BWA – Broadband Wireless Access)

Újgenerációs hálózatok (NGN – Next Generation Networks) Tervezési kérdések Összefoglalás, tartalék

3

Celluláris hálózatok †

† † †

Rádiókommunikáció: „ „ „

Csaknem egyidős a vezetékes távközléssel Az elektromágneses hullámok szabadtéri terjedésén alapul Különböző frekvenciasávok szolgálnak rádiótávközlésre

„ „

kb. ötven éves A celluláris elv megjelenéséig igen korlátozott alkalmazhatóság

„ „

kb. 25 éve jelent meg az első generációjuk Ma a harmadiknál tartunk

„ „ „ „

1G: az első analóg rendszerek (nálunk: NMT450) 2G: GSM, itt tartunk ma 2.5G: feljavított 2G 3G: bevezetés alatt

Mobil kommunikáció:

Mobil kommunikáció a celluláris (cellás) elv alkalmazásával A mobil rendszerek generációi:

4

A mobil rendszerek generációi † 2G „ Digitális beszédtovábbítás „ Jó minőség „ Új szolgáltatások és alkalmazások, amelyek nem voltak elérhetők az analóg rendszerekben: † SMS, fax, adatátvitel

„ Roaming

† 2.5G „ Intelligens hálózati szolgáltatások „ Nagysebességű (a 2G-hez képest) adatátvitel † 3G „ Egységes architektúra „ Adatátvitel-orientáltság „ Csomagkapcsolt, IP-alapú kommunikáció támogatása 5

A cellás hálózatok elvi felépítése † Alapelemek „ „ „ „ „

Mobil terminál Bázisállomás (BS): a mobil terminálok ezzel kommunikálnak közvetlenül Cella: a BS egy adó-vevője által lefedett terület Kapcsolóközpont, vagy csomagtovábbító központ, Átjárók: a mobil hálózat kapcsolódási pontja külső hálózatok felé

PSTN átjáró

BS kapcsolóközpontok

Internet cellák 6

Cella-típusok (1) † Makrocella „ Nagy terület lefedésére (1-35 km) „ Ritkán lakott területek, gyorsan mozgó felhasználók „ Külvárosok, kisvárosok, falvak és nem lakott területek lefedése „ Kétszintű hálózatok esetén a felső szint biztosítása „ Nagy adóteljesítmények (1-20 W), nagy G

7

Cella-típusok (2) † Mikrocella „ Kis terület lefedése (0.2-1 km) „ Sok felhasználó, lassabb mobilok (városok, külvárosok városközpontja) „ A bázisállomás antennája épületek tetőszintje alatt „ Kis teljesítmény (0.01-5 W), nagy kapacitás

† Pikocella „ Főként beltéri lefedésre, ill nagyon nagy forgalmú területek lefedésére (nagy kapacitás) „ Kis teljesítmény (<100 mW), antennák beltérben

8

Cella-topológia (1) † „Omni” cella „ Körsugárzó antenna „ Elvileg kör alakú (a valóságban sík, lakatlan vidéken jó közelítéssel ilyen a cella) „ Gyakorlatban a terep miatt szabálytalan alakú

9

Cella-topológia (2) † Szektorantennák Egy bázisállomással több cella kialakítására Létező cellák feldarabolására 60, 90, 120 fok Antennánként külön-külön kezelve „ Különböző méretű szektorok

„ „ „ „

10

Cella-topológia (3) † Hierarchikus cellák „ Nagy forgalmú területek lefedése több cellával „ A cellák természetesen más frekvenciákat használnak „ Egy bázisállomás több cellát is kiszolgál

11

Cella-topológia (4) † Hierarchikus cellák, „esernyő-cella” „ „ „ „

Egy nagy cella több kisebbet is lefed Különösen mikro-, pikocellás környezetben A gyorsan mozgó felhasználók kiszolgálására A gyakori handoverből eredő problémák kiküszöbölésére

12

Cella-modellek † Hatszögletű cella „ „ „ „ „ „ „

Modell, a gyakorlatban nincs ilyen Hatszögekkel lefedhető a sík Jól közelíti az omni cellákat Közelítő számításokhoz Elméleti modellekhez Jól szektorizálható, három szektor K faktor meghatározásához (frekvenciaújrafelhasználás)

13

Frekvencia-újrafelhasználás † † †

Frekvencia újrafelhasználás: a teljes rendelkezésre álló frekvenciasávokból csak néhányat használnak egy cellában Ugyanazokat a frekvenciákat ismét használják egy lehető legtávolabbi cellában Sokkal több felhasználó szolgálható ki

f3

rendelkezésre álló frekvenciák

f2 f1

f2 f1 f3

f3 f2

f1, f2, f3

max. n felhasználó

kb. ugyanakkora terület

f1

f2

f2 f1

f1 f3

14

A rádiófrekvenciás hullámtartomány, frekvenciasávok † Elektromágneses hullámok: közel 0 Hz-től 1023 Hz-ig † Itt: „hanghullámok”, rádióhullámok és fény † Rádióhullámok: kb. 10 kHz...300 GHz „ Itt vezetett hullámok is „ Rádióhullámok: vezetés nélküli terjedés

† A rádiófrekvenciás hullámtartomány felhasználása: „ ITU-R a Nemzetközi Rádiószabályzat-ban (IRR) rögzítette 15

A rádiófrekvenciás hullámtartomány felosztása az IRR szerint † † † † † † † † † †

Műsorszórás Állandóhelyű szolgálatok Mozgó szolgálatok Műholdas szolgálatok Frekvencia és órajel Rádió-navigáció Rádiólokáció Rádiócsillagászat Amatőr sávok Ipari, tudományos és orvosi szolgáltatok (ISM-sáv: Industrial, Scientific and Medical Services

16

Frekvenciasávok VLF – very low frequency – 3...30 kHz LF – low frequency – 30…300 kHz MF – medium frequency – 0,3…3 MHz (100 m…1 km) HF – high frequency – 3…30 MHz (10…100 m) VHF - very high frequency – 30…300 MHz (1…10 m) UHF - ultra high frequency – 300 MHz…3 GHz (10 cm…1 m) † SHF – super high frequency – 3…30 GHz (cm-hull.) † EHF – extra high frequency – 30..300 GHz (mmhull.), eddig terjed az IRR-szabályozás ma, 300…3000 GHz (sub-mm. hull.) † † † † † †

17

Jellegzetes terjedési módok † † † † † †

Közvetlen hullám Földről reflektált hullám Felületi hullám Diffrakciós terjedés Troposzférikus szóródás Ionoszférikus visszaverődés

18

A rádiócsatorna tulajdonságai † Csillapítás: tereptől, időjárástól, távolságtól, frekvenciától, antenna magasságoktól, stb. függ † Fading: véletlen ingadozás a vett jel teljesítményében (amplitúdójában). Sztochaszikus modellek † Zaj: termikus zaj, környezetből származó zaj. Sztochasztikus modellek, a termikus zajra a fehér(Gauss-i) zaj-modell † Interferencia: azonos csatornás, szomszédos csatornás, rendszerek közötti

19

Terjedési modellek (1) † Empirikus modellek: nagy számú mérés alapján vázolt egyenletek, görbék alapján; gyors, könnyen számolható, nem túl pontos † Determinisztikus modellek: az EM hullámok terjedését, diffrakcióját, stb. számoló modellek; szükség van a környezet pontos ismeretére; nagyon nagy számítási kapacitást igényelnek † Szemi-determinisztikus modellek: determinisztikus modellek módosításával, egyszerűsítésével, mérésekhez „hangolásával” készülnek 20

Terjedési modellek (2) † Makrocella „ Kétutas terjedési modell (determinisztikus) „ Kettős meredekségű modell

† Mikrocella „ Kettős meredekségű modell (empirikus) „ Walfish-Ikegami modell (empirikus): † városi területeken használt (utcák lefedettségére) † házak magassága, utca szélessége † tetők feletti terjedés és diffrakció

† Beltéri modellek 21

Terjedési modellek (3) † Kétutas terjedési modell

Direkt hullám h1

Reflektált hullám

d = d1 + d 2 - d 0

d0 d1

ϕ’ ϕ

d2

l1

† Alapvető eredmény (elméleti):

h2 l2

⎛ h1h2 ⎞ PV ≅ PA ⋅ ⎜ 2 ⎟ ⎝ d ⎠

2

22

Az európai 2G-rendszer † GSM – Groupe Spéciale Mobile „ Pán-európai nyilvános cellás mobil rendszer tervezésére hozták létre

† Kifejlesztése a 80-as években, szabvány az ETSI-ben 1990-ben „ A 900 MHz-es sávban

† UK: DCS1800 „ GSM-alapú, de 1.8 GHz-es sáv a nagyobb felhasználó-sűrűség miatt

23

A GSM rendszer struktúrája

24

Mobil állomás † Fizikai elemek „ Rádió adó-vevő, vezérlő, kijelző stb. „ Rádiós interfész („air interface”) és felhasználói interfész

† SIM-kártya „ Subscriber Identity Module „ Mobilitás, függetlenül a végberendezés típusától és helyétől „ Tartalmazza az IMEI-t (International Mobile Equipment Identity) és az „ IMSI-t (International Mobile Subscriber Identity) 25

BSS – bázisállomás-alrendszer Bázisállomási adó-vevő (BTS) és Bázisállomás-vezérlő (BSC) Specifikált interfészen kommunikálnak BTS: a cellán belüli rádiókommunikáció biztosítása † BSC: † † † †

„ Egy v. több BTS-t vezérel „ Rádiócsatornák felépítése, frekvenciaugrások kezelése „ Kapcsolat a Mobil Kapcsolóközpont (MSC) felé 26

Hálózati alrendszer (Network Subsystem) †

MSC – hasonló a PSTN v. ISDN központokhoz, plusz minden, ami a mobil előfizetők kezeléséhez kell: „ „

† †

Home Location Register (HLR) „ „

Összes admin info az előfizetőkről, a pillanatnyi helyük is Tipikusan 1 HLR hálózatonként, de elosztott is lehet

„

Válogatott információ a HLR-ből, ami a hívásvezérléshez és előf. szolg.-hoz szükséges A mobilt az aktuális területhez tartozó VLR vezérli Általában kombinálva van az MSC-vel, az MSC ebből dolgozik

Visitor location register (VLR) „ „

† †

Regisztráció, authentikáció, helyzet-meghatározás, handover, roaming stb. Kapcsolat a közcélú „földi” távközlési hálózatokkal (PSTN, ISDN)

AUC – authentikáció, a SIM-kártyák titkos kulcsait tart. EIR – a hál.-ban jogosan használt készülékek listája

27

Rádiókommunikáció † ITU: 890-915 MHz (uplink, mobil – bázisállomás) és 935-960 MHz (downlink) => 2*25 MHz † Megosztás: TMDA/FDMA kombinációjával † FDMA: 124 db 200 kHz-es hordozó frekvenciasáv † Minden hordozó frekvenciasáv 8 időrésre van osztva, TDMA keretekben (1 keret: 4,615 ms) † A TDMA keretek multikeretekbe vannak csoportosítva, 26 ill. 51-es multikeretek vannak 28

Kommunikáció a GSM rendszerben † Forgalmi csatornák és vezérlő csatornák † A forgalmi csatornák képességét az egy felhasználóra jutó sávszélesség (hordozó fr. sáv és időrés) határozza meg † Kis sebességű adatátvitel (kb. 13 kbit/s), fax átvitel. Modem szükséges, kapcsolatfelépítési idő hosszú. A csatorna nincs jól kihasználva (áramkörkapcsolt), nem gazdaságos † Vezérlő csatornákon: SMS. Szerény mennyiségű adat, de gazdaságosan 29

A cellás mobil rendszerek fejlődése: a 2.5G-rendszerek 2G

2.5G

3G

CdmaOne 14.4kbit/s TDMA GSM 14.4kbit/s

PDC 9.6kbit/s

GPRS 115kbit/s

EDGE 384kbit/s

UMTS 384-2000kbit/s

2.5G : a 2G-hálózatokon történt fejlesztésekkel létrejött új megoldások összefoglaló neve 30

2.5G-rendszerek: HSCSD, GPRS, EDGE † HSCSD – High Speed Circuit Switched Data † 4 db 14,4 kbit/s-os időrés összekapcsolásával 57,6 kbit/s-os sávszélesség biztosítása † Előny: kevés változtatás a GSM-rendszerben (csak sw) † Hátrány: megmaradt az áramkörkapcsolt elv † HSCSD hívások: 1..4 csatornán „ Beszédhívások esetén redukálható kevesebb csatornára † Jó megoldás induló szolgáltatóknak, ahol még sok a szabad kapacitás † Könnyű kapcsolódás a PSTN/ISDN-hez 31

2.5G-rendszerek: HSCSD, GPRS, EDGE † GPRS – General Packet Radio Service † Csomagkapcsolt † Dinamikus rádiócsatorna-foglalás (1...8 TDMA időrés, többszörös hozzáférés) † Többféle kódolási módszer a rádiócsatornán, többféle sebesség 9 kbit/stól akár 384 kbit/s-ig † Leggyakrabban max. 115 kbit/s, átlagosan 40 kbit/s † Új hálózati elemek beintegrálását igényli 32

EDGE – Enhanced Data rates for GSM Evolution † Ericcson fejlesztés, eredetileg olyan szolgáltatók számára, amelyek nem nyertek frekvenciákat a 3G (UMTS) számára † UMTS-közeli sebességek a meglevő GSM/GPRS hálózat és frekvenciasávok alkalmazásával † Új modulációs módszer a rádiócsatornán (QAM, szemben a GPRS-ben és HSCSD-ben alkalmazott GMSK modulációval), ezzel 48 kbit/s sebesség minden GSM időrésben † Modulációváltás: hatékonyabb módszer a BS környezetében, kevésbé hatékony, de zavarvédettebb attól távolabb † Megvalósítás: meglevő rendszereken és fr. sávokkal, de komoly hw-sw fejlesztésekkel 33