Sieci urządzeń mobilnych
Część 3 wykładu
SKO2
SKO2
Mobilne-1
Mapa wykładu
Wprowadzenie
Dlaczego mobilność?
Rynek dla mobilnych urządzeń
Dziedziny badań
Transmisja radiowa
Protokoły wielodostępowe
Systemy GSM
Systemy satelitarne
Bezprzewodowe sieci lokalne
SKO2
Mobilne-2
Szczegółowa mapa wykładu
Wprowadzenie Wielodostęp
" Zastosowania " motywacja, SDMA,
FDMA, TDMA (stałe,
" Terminologia
Aloha, CSMA), CDMA
" Historia, wyzwania
Systemy telekomunikacyjne
Transmisja radiowa
" GSM,UMTS
" częstotliwości i
Systemy satelitarne
regulacje
Bezprzewodowe sieci LAN
" sygnały, anteny,
" Podstawowa technologia
propagacja sygnału
" IEEE 802.11a/b/g/i,
" multipleksacja,
Bluetooth
modulacja, rozszerzanie
pasma, systemy
komórkowe
SKO2
Mobilne-3
Komputery na następne dekady?
Zintegrowane urządzenia obliczeniowe
małe, tanie, mobilne, wymienne
Technologia jest w tle ( ambient intelligence )
urządzenia są "świadome" swojego otoczenia i dostosowują
się do niego ( location awareness )
Postępy w technologii
więcej mocy obliczeniowej w mniejszych urządzeniach
płaskie, lekkie wyświetlacze zużywające mniej mocy
nowe interfejsy użytkownika z powodu małych rozmiarów
więcej przepustowości na metr sześcienny
wiele bezprzewodowych sieci: bezprzewodowe LANy,
bezprzewodowe WANy, regionalne bezprzewodowe sieci
telekomunikacyjne
SKO2
Mobilne-4
Komunikacja mobilna
Dwa aspekty mobilności:
mobilność użytkownika: użytkownicy komunikują się
(bezprzewodowo)  anytime, anywhere, with anyone
mobilność urządzeń: urządzenia mogą być wszędzie, zawsze
dołączone do sieci
Bezprzewodowy a mobilny Przykłady
�� �� komputer stacjonarny
�� �� notebook w pokoju hotelowym
z kablem Ethernet
�� �� bezprzewodowy LAN
łączący budynki
�� �� Personal Digital Assistant
(PDA)
Integracja sieci bezprzewodowych i przewodowych:
sieci lokalne: standardy IEEE 802.11, ETSI (HIPERLAN)
SKO2
Internet: Mobile IP
Zastosowania I
Pojazdy
komunikacja wiadomości, warunków drogowych, pogody,
muzyki przez DAB
komunikacja osobista przez GSM
lokalizacja za pomocą GPS
lokalne sieci ad-hoc z pobliskimi pojazdami w celu unikania
wypadków, pilotowania
dane pojazdów (n.p., autobusów, szybkich pociągów) mogą być
przesyłane w celach naprawy
Sytuacje kryzysowe
komunikacja danych pacjenta do szpitala w celu
wcześniejszej diagnozy
komunikacja awaryjna w wypadku trzęsienia ziemi, huraganu,
pożaru itd.
kryzys, wojna, ...
SKO2
Mobilne-6
Typowe zastosowanie: ruch drogowy
UMTS, WLAN,
GSM,
cdma2000,
Personal Travel Assistant,
PDA, laptop,
GSM, UMTS, WLAN,
Bluetooth, ...
SKO2
Mobilne-7
c
o
h
d
a
Usługi mobilne i bezprzewodowe
UMTS, GSM LAN
GSM 53 kb/s
115 kb/s 100 Mb/s,
LAN, WLAN
Bluetooth 500 kb/s
WLAN
780 kb/s
54 Mb/s
UMTS,
DECT
2 Mb/s
GSM/EDGE 384 kb/s,
WLAN 780 kb/s
UMTS, GSM
GSM 115 kb/s,
384 kb/s
WLAN 11 Mb/s
SKO2
Mobilne-8
Zastosowania II
Komiwojażer
bezpośredni dostęp do plików klientów na centralnym
serwerze
spójne bazy danych wszystkich agentów
mobilne biuro
Zastępowanie sieci przewodowych
zdalne sensory, n.p., aktywność pogody, ziemi
elastyczność dla wystaw, targów
sieci LAN w budynkach zabytkowych
Rozrywka, edukacja, ...
dostęp do Internetu na dworze
inteligentny przewodnik z aktualną informacją zależną od
położenia i kontekstu
sieci ad-hoc dla gier wieloużytkownikowych
SKO2
Mobilne-9
H
i
s
t
o
r
y
I
n
f
o
Usługi zależne od położenia
Usługi świadome położenia
n.p. katalog urządzeń (drukarek, faksów, telefonów, serwerów
itp.) istniejących w otoczeniu
Usługi podążające za użytkownikiem
automatyczne przekazywanie połączeń, przenoszenie
aktualnego środowiska pracy do nowej lokalizacji
Usługi informacyjne
 push : n.p., aktualne promocje w supermarkecie
 pull : n.p., gdzie stoi jogurt?
Usługi wspomagające
schowki, wyniki częściowe, informacja o stanie itd.  śledzą
urządzenie mobilne w sieci
Prywatność
kto powinien znać informację o lokalizacji
SKO2
Mobilne-10
Urządzenia mobilne
Pager PDA Laptop
" tylko odbiera
" prosty wyświetlacz graficzny
" pełna funkcjonalność
" mały ekran
" rozpoznawanie pisma
" standardowe
" proste wiadomości
" uproszczone przeglądanie WWW aplikacje
tekstowe
Sensory,
sterowniki
urzadzeń
Palmtop
Telefony mobilne
" mała klawiatura
" głos, dane
" uproszczone wersje
" prosty wyświetlacz graficzny
standardowych aplikacji
wydajność
wydajność
SKO2
Mobilne-11
Skutki mobilności urządzeń
Zużycie mocy
Ograniczone możliwości obliczeniowe, wyświetlacze o niższej
jakości, mniejsze dyski w skutek małej pojemności baterii
CPU: zużycie mocy
Straty danych
Większe prawdopodobieństwo, musi być uwzględnione przy
projektowaniu (n.p., uszkodzenia, kradzież)
Ograniczenia interfejsu użytkownika
Kompromis pomiędzy rozmiarem palców i mobilnością
Integracja rozpoznawania znaków/głosu, abstrakcyjnych
symboli
Ograniczona pamięć
Dyski (mające ruchome części) mają ograniczoną wartość
Pamięć flash może być alternatywą
SKO2
Mobilne-12
Porównanie sieci bez-, i przewodowych
Większe straty z powodu zakłóceń
n.p., silniki, pioruny
Restrykcyjne regulacje częstotliwości
Częstotliwości muszą być zarządzane, użyteczne
częstotliwości są niemal wszystkie zajęte
Małe przepustowości
Lokalne rzędu Mb/s, rozległe obecnie, n.p., 9.6kb/s przez GSM
Większe opóz
nienie i zmienność opóz
nień
Czas nawiązania połączenia w GSM rzędu sekund, dla innych
technologii bezprzewodowych kilkuset milisekund
Mniejsze bezpieczeństwo, prostsze aktywne ataki
Interfejs radiowy jest dostępny dla wszystkich, stacja bazowa
może być symulowana, przyciągając rozmowy z telefonów
Medium jest zawsze współdzielone
Ważne są bezpieczne protokoły współdzielące
SKO2
Mobilne-13
 Przegląd rozwoju systemów bezprzewodowych
Telefony
Bezprzewodo
Satelity
Telefonia komórkowa
bezprzewodowe
we sieci LAN
1982: 1980:
1981:
Inmarsat-A CT0
1983:
NMT 450
AMPS
1984:
1986:
CT1
NMT 900
1987:
1988:
CT1+
Inmarsat-C
1991:
1991:
1989:
1992: D-AMPS
199x:
CDMA
CT 2
GSM
1992:
proprietary
1991:
Inmarsat-B
1993:
DECT
1997:
Inmarsat-M
1994:
PDC
IEEE 802.11
DCS 1800
1999:
1998:
802.11b, Bluetooth
Iridium
2000: 2000:
2001:
GPRS IEEE 802.11a
analogowe
IMT-2000
cyfrowe
200?:
4G  czwarta generacja: gdzie i kiedy?
Fourth Generation
SKO2
(w oparciu o Internet)
Abonenci sieci bezprzewodowych
700
600
500
Ameryka
Europa
400
Japonia
300
inne
razem
200
100
0
1996 1997 1998 1999 2000 2001
Prognoza z 1998 roku
SKO2
Mobilne-15
Telefony mobilne na 100 ludzi w 1999 r.
Germany
Greece
Spain
Belgium
France
Netherlands
Great Britain
Switzerland
Ireland
Austria
Portugal
Luxemburg
Italy
Denmark
Norway
Sweden
Finland
0 10 20 30 40 50 60
2002: 50-70% penetration in Western Europe
SKO2
Mobilne-16
Wzrost abonentów sieci
bezprzewodowych (aktualne dane)
1200
1000
800
600
400
200
0
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002
Spowolnienie wzrostu w 2000 r.
SKO2
Mobilne-17
Subscribers [million]
Ilość abonentów w regionach świata
(Czerwiec 2002)
Middle East;
1,6
Africa; 3,1
Americas (incl.
Asia Pacific;
USA/Canada);
36,9
22
Europe; 36,4
SKO2
Mobilne-18
Dziedziny badań w komunikacji mobilnej
Komunikacja bezprzewodowa
jakość (przepustowość, częstość strat, opóz
nienia)
modulacja, kodowanie, zakłócanie
wielodostęp, regulacje częstotliwości
Mobilność
usługi niezależne od lokalizacji
przezroczystość lokalizacji
jakość (opóz
nienie, zmienność, bezpieczeństwo)
zużycie mocy
ograniczenia procesora, wyświetlacza, ...
ergonomia
SKO2
Mobilne-19
Prosty model odniesienia
Aplikacji Aplikacji
Transportu Transportu
Sieci Sieci
Sieci Sieci
A
ącza A
ącza A
ącza A
ącza
Fizyczna Fizyczna Fizyczna Fizyczna
Medium
Radio
przewodowe
SKO2
Mobilne-20
Komunikacja mobilna w modelu odniesienia
lokalizacja usługi
Aplikacji
nowe aplikacje, multimedia
aplikacje adaptacyjne
kontrola przeciążenia, przepływu
Transportu
jakość usług
adresacja, ruting, lokalizacja
urządzeń
Sieci
przekazywanie
A
ącza
uwierzytelnienie
wielodostęp
multipleksacja
szyfrowanie
Fizyczna
modulacja
zakłócenia
tłumienie
SKO2
częstotliwości
Mobilne-21
Mapa wykładu
Wprowadzenie
Dlaczego mobilność?
Rynek dla mobilnych urządzeń
Dziedziny badań
Transmisja radiowa
Protokoły wielodostępowe
Systemy GSM
Systemy satelitarne
Bezprzewodowe sieci lokalne
SKO2
Mobilne-22
Częstotliwości komunikacyjne
koncentryk
skrętka
transmisja optyczna
1 Mm
1 m
10 km 100 m 10 mm 100 �m 1 �m
300 Hz
300 MHz
30 kHz 3 MHz 30 GHz 3 THz 300 THz
podczer- widzialne UV
HF VHF UHF SHF EHF
VLF LF MF
wień
światło
VLF = Very Low Frequency UHF = Ultra High
LF = Low Frequency SHF = Super High Frequency
MF = Medium Frequency EHF = Extra High
HF = High Frequency UV = Ultraviolet Light
VHF = Very High Frequency
Częstotliwość a długość fali:
= c/f
długość fali , prędkość światła c E" 3x108m/s, częstotliwość f
SKO2
Mobilne-23
Częstotliwości dla komunikacji mobilnej
Zakres VHF-/UHF dla mobilnego radia
proste, małe anteny samochodowe
deterministyczne własności propagacji, niezawodne połączenia
SHF i wyższe dla skierowanych łącz radiowych,
komunikacji satelitarnej
mała antena, skupianie
duże przepustowości
WLANy używają częstotliwości UHF do SHF
niektóre systemy planowane w EHF
ograniczenia z powodu absorbcji fal przez cząsteczki wody i
tlenu (częstotliwości rezonansowe)
" tłumienie zależne od pogody, utrata sygnału przy dużych
opadach deszczu, itd.
SKO2
Mobilne-24
Regulacja częstotliwości
Europa USA Japonia
Telefony GSM 450-457, 479-486/460- AMPS, TDMA, CDMA PDC
komórko- 467,489-496, 890-915/935- 824-849, 810-826,
we 960, 869-894 940-956,
1710-1785/1805-1880 TDMA, CDMA, GSM 1429-1465,
UMTS (FDD) 1920-1980, 1850-1910, 1477-1513
2110-2190 1930-1990
UMTS (TDD) 1900-1920,
2020-2025
Telefony CT1+ 885-887, 930-932 PACS 1850-1910, PHS
bezprze- CT2 864-868 1930-1990 1895-1918
wodowe DECT 1880-1900 PACS-UB 1910-1930 JCT
254-380
Sieci IEEE 802.11 2400-2483 902-928 IEEE 802.11
WLAN HIPERLAN 2 IEEE 802.11 2400-2483 2471-2497
5150-5350, 5470-5725 5150-5350, 5725-5825 5150-5250
Pozostałe RF-Control RF-Control RF-Control
27, 128, 418, 433, 868 315, 915 426, 868
ITU-R przeprowadza aukcje nowych częstotliwości,
zarządza zakresami w skali światowej (WRC, World
Radio Conferences)
SKO2
Mobilne-25
Sygnały I
fizyczna reprezentacja informacji
funkcja czasu i położenia (przestrzeni)
parametry sygnału: reprezentują informację
klasyfikacja
czas ciągły / czas dyskretny
wartości ciągłe / wartości dyskretne
sygnał analogowy = czas ciągły i wartości ciągłe
sygnał cyfrowy = czas dyskretny i wartości dyskretne
parametry sygnału okresowego:
okres T, częstotliwość f=1/T, amplituda A,
przesunięcie fazowe (faza) �
sinusoida jest specyficznym sygnałem okresowym:
s(t) = At sin(2 Ą ft t + �t)
SKO2
Mobilne-26
Reprezentacja Fouriera
dla okresowych sygnałów
" "
1
g(t) = c +
"a sin(2Ąnft) + "b cos(2Ąnft)
n n
2
n=1 n=1
1 1
0 0
t t
idealny sygnał okresowy
rzeczywisty skład
(harmoniczny)
SKO2
Mobilne-27
Sygnały II
Różne reprezentacje sygnałów
amplituda
częstotliwości
diagram fazowy (amplituda M i faza � we wsp. radialnych)
Q = M sin �
A [V]
A [V]
t[s]
�
I= M cos �
�
f [Hz]
Złożone sygnały są tłumaczone na reprezentację
częstotliwościową za pomocy reprezentacji Fouriera
Modulacji za pomocą częstotliwości nośnej dla transmisji
(sygnał analogowy!)
Skończona ilość częstotliwości ze względu na ucinanie
pasma przez dostępne media/kanały
SKO2
Mobilne-28
Anteny
Promieniowanie i odbiór fal elektromagnetycznych,
połączenie transmisji przewodowej i bezprzewodowej
Idealna antena: równe promieniowanie w każdym
kierunku (trójwymiarowo)  konstrukcja teoretyczna
Prawdziwe anteny zawsze mają efekty kierunkowe
(pionowe i/lub poziome)
Wzorzec promieniowania: pomiar promieniowania
wokół anteny
z
y z
y x
x
idealna antena
SKO2
Mobilne-29
Anteny: proste dipole
Prawdziwe antyny to n.p. dipole z długością /4 na
dachach samochodów lub o długości /2 (dipol Hertza)
Ł� długość anteny proporcjonalna do długości fali
/4
/2
Przykład: wzorzec promieniowana prostego dipola
Hertza
y y z
simple
x z x
dipole
side view (xy-plane) side view (yz-plane) top view (xz-plane)
SKO2
Mobilne-30
Anteny: skierowane i sektorowe
Często używane w komunikacji mikrofalowej lub w
stacjach bazowych komunikacji GSM (n.p., pole
radiowe w dolinie górskiej)
y y z
antena
x z x
kierunkowa
widok boczny widok z góry
widok boczny
(płaszczyzna yz) (płaszczyzna xz)
(płaszczyzna xy)
z
z
antena
x
x
sektorowa
widok z góry widok z góry
(3 sektory) (6 sektorów)
SKO2
Mobilne-31
Zakresy propagacji sygnału
Zakres transmisji
komunikacja jest możliwa
mała stopa błędów
Zakres wykrywania
sygnał można wykryć
nadawca
komunikacja nie jest
możliwa
transmisja
odległość
Zakres zakłócenia
wykrywanie
sygnału nie można
zakłócenia
wykryć
sygnał dodaje się
do zakłóceń
SKO2
Mobilne-32
Propagacja sygnału
W wolnej przestrzeni, zawsze jak światło (prosta linia)
Moc odbioru proporcjonalna do 1/d�
(d = odległość pomiędzy nadawcą a odbiorcą)
Na moc odbioru mają także wpływ
tłumienie (zależne od częstotliwości)
cień
odbicie od dużych przeszkód
ugięcie zależne od gęstości medium
rozpraszanie przez małe przeszkody
dyfrakcja na brzegach
cień rozproszenie dyfrakcja
odbicie ugięcie
SKO2
Mobilne-33
Przykład z życia
SKO2
Mobilne-34
Propagacja wielościeżkowa
Sygnał może przebyć wiele ścieżek od nadawcy do odbiorcy
z powodu odbicia, rozproszenia, dyfrakcji
Sygnały
z wielu
ścieżek
Sygnały LOS
sygnał u nadawcy
sygnał u odbiorcy
Rozpraszanie czasowe: sygnał jest rozproszony w czasie
Sygnał dochodzi bezpośrednio do odbiorcy ze zmienioną fazą
w sieci GSM, zmienność opóz
nień do 16 �s
Zakłócanie przez  sąsiednie symbole, Inter Symbol
Interference (ISI)
SKO2
Mobilne-35
Skutki mobilności
Charakterystyki kanału zmieniają się zależnie od
czasu i położenia
ścieżki sygnałów mogą ulegać zmianie
różne zmienności opóz
nień różnych części sygnału
różne fazy części sygnału
Ł� szybkie zmiany w mocy odbioru
tłumienie
(tłumienie krótkookresowe)
moc
długookresowe
Dodatkowe zmiany
odległości od nadawcy t
tłumienie
odległych przeszkód
krótkookresowe
Ł� powolne zmiany średniej mocy odbioru
(tłumienie długookresowe)
SKO2
Mobilne-36
Mapa wykładu
Wprowadzenie
Dlaczego mobilność?
Rynek dla mobilnych urządzeń
Dziedziny badań
Transmisja radiowa
Protokoły wielodostępowe
Systemy GSM
Systemy satelitarne
Bezprzewodowe sieci lokalne
SKO2
Mobilne-37