BMS Bezdrátové a mobilní sítě

Transkript

1 Corr pre 2010 BMS Bezdrátové a mobilní sítě Petr Hanáček Faculty of Information Technology Technical University of Brno Božetěchova Brno tel. (05) hanacek@fit.vutbr.cz BMS0x0 Slide 1

2 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: BMS0x0 Slide 2

3 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 BMS0x0 Slide 3

4 Mobile Communications Schiller, J.: Mobile Communications Addison-Wesley, 2003, 512 p, ISBN Obsah Chapter 10: Support for Mobility 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. BMS0x0 Slide 4

5 Úvod BMS0x0 Slide 5

6 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 Mobilní Příklad Kancelářský počítač Notebook v hotelu Bezdrátová LAN v klášteře PDA, mobilní telefon BMS0x0 Slide 6

7 Pager pouze přijímá malý displej textové zprávy Mobilní zařízení 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 BMS0x0 Slide 7

8 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 BMS0x0 Slide 8

9 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 BMS0x0 Slide 9

10 Historie bezdrátové komunikace Začalo to světelnými signály Heliografy (slunce a zrcadla), vlajky, BC kouřové signály; (Polybius, Řecko) 1794, optický telegraf, Claude Chappe Elektromagnetické vlny: 1831 Faraday demonstroval elektromagnetickou indukci J. Maxwell ( ): teorie elektromagnetického pole, vlnová rovnice (1864) H. Hertz ( ): demonstruje experimentálně vlnový charakter přenosu elektromagnetické energie prostorem (1888, Karlsruhe) BMS0x0 Slide 10

11 Historie bezdrátové komunikace I Guglielmo Marconi První demonstrace bezdrátové telegrafie (digitální přenos!) Přenos na dlouhých vlnách, nutný velký vysílací výkon (> 200kW) První transatlatnické spojení Vynález vakuové elektronky (Lee DeForest a Robert von Lieben) Komerční transatlantická spojení Velké základnové stanice 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 BMS0x0 Slide 11

12 Historie bezdrátové komunikace II 1928 První pokusy o TV vysílání, John L. Baird 1933 Frekvenční modulace (Edvin. H. Armstrong) A-Netz v Německu analogová, 160MHz, volání pouze z mobilní stanice, žádný handover, 80% pokrytí, 16 kg, zákazníků B-Netz v Německu analogová, 160MHz, volání i z pevné sítě (musela být známa poloha mobilní stanice) Dostupná také v AT, NL a LUX, zákazníků NMT na 450MHz (Skandinávské země) Počátek specifikace GSM Cíl: celoevropský standard pro digitální mobilní telefoby s roamingem 1983 Start amerického AMPS (Advanced Mobile Phone System, analogový) CT-1 standard (Evropa) pro bezdrátové telefony BMS0x0 Slide 12

13 Historie bezdrátové komunikace III C-Netz v Německu Analogová, 450MHz, handover, digitální signaling, automatická lokalizace mobilního zařízení Používala se až do roku 2000, služby: FAX, modem, X.25, e- mail, 98% pokrytí 1991 Specifikace DECT Digital European Cordless Telephone (dneska: Digital Enhanced Cordless Telecommunications) MHz, dosah m, 120 duplexních kanálů, 1.2Mbit/s datový přenos, šifrování hlasu, autentizace, kapacita až několik uživatelů/km 2, používaná ve více než 50 zemích Start GSM Plně digitální, 900MHz, 124 kanálů automatická lokalizace, handover roaming ve více než 170 zemích služby: data 9.6kbit/s, FAX, SMS,... BMS0x0 Slide 13

14 Historie bezdrátové komunikace IV 1994 DCS 1800 (GSM 1800) GSM na 1800MHz, menší buňky Dnes běžně kombinováno s GSM HiperLAN (High Performance Radio Local Area Network) ETSI, typ 1: GHz, 23.5Mbit/s Doporučení pro typ 2 a 3 (oba na 5GHz) a 4 (17GHz) jako bezdrátové ATM sítě (až do 155Mbit/s) Wireless LAN - IEEE IEEE standard, GHz a infračervený přenos, 2Mbit/s Už při spuštění bylo k dispozici hodně (proprietárních) produktů 1998 Specifikace následovníků GSM Např. UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) Iridium 66 satelitů (+6 záložních), 1.6GHz downlink Satelity rozmístěny, krach obchodního modelu BMS0x0 Slide 14

15 Historie bezdrátové komunikace V 1999 Standardizace dalších systémů pro wireless LAN IEEE standard b, GHz, 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, Start WAPu (Wireless Application Protocol) a i-mode První kroky k propojení mobilních systémů s internetem Přístup k internetovým službám přes mobilní telefon GSM s rychlejšími datovými přenosy HSCSD nabízí až 57,6kbit/s První pokusy s GPRS na 50 kbit/s (paketově orientované!) 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 BMS0x0 Slide 15

16 Bezdrátové systémy 1981: NMT : NMT 900 mobilní telefony 1992: GSM analogové digitální 1994: DCS : CDMA 2000: GPRS 1983: AMPS 1991: D-AMPS 1993: PDC 2001: IMT : Inmarsat-A 1988: Inmarsat-C satelity 1992: Inmarsat-B Inmarsat-M 1998: Iridium bezdrátové telefony 1980: CT0 1984: CT1 1987: CT : CT : DECT bezdrátové LAN 199x: proprietary 1997: IEEE WiFi 1999: b WiFi, Bluetooth 2000: IEEE a WiFi BMS0x0 Slide 16

17 Oblasti aplikací BMS0x0 Slide 17

18 Dopravní prostředky BMS0x0 Slide 18

19 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 BMS0x0 Slide 19

20 Smartphone, tablet Mobilní telefony jsou stále chytřejsí Konvergence s PDA? Hlasové služby, video , 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 BMS0x0 Slide 20

21 Ubiquitous a wearable computing Malé vestavěné počítače V oblečení Nošené na těle BMS0x0 Slide 21

22 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 BMS0x0 Slide 22

23 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 BMS0x0 Slide 23

24 Taxi/Policie/Hasiči/ Dispečerské hlasové systémy Policie IZS, HZS, ZZS, Doprava Datové systémy Dopravní podnik Lokalizace tramvají, sanitek, BMS0x0 Slide 24

25 Vlk samotář Cestovatelé Jachtaři Zpravodajové Přírodovědci Obvykle satelitní Iridium - krach BMS0x0 Slide 25

26 Záchranáři Po zemětřesení, tsunami, Neexistuje infrastruktura (je zničena) Satelitní sítě Ad-Hoc sítě BMS0x0 Slide 26

27 Monitorování a varování Včasné varování Tsunami Sledování přírody Monitorování zvířat Meteorologické stanice Satelitní sítě Ad-Hoc sítě BMS0x0 Slide 27

28 Současný standard: připojitelná k jiným konzolím wifi web browser Sony PSP Nitendo DS Herní konzole BMS0x0 Slide 28

29 Senzorové sítě Smart Dust Vojenství Komunikace v místech, kde není infrastruktura BMS0x0 Slide 29

30 Úrovně sítí BMS0x0 Slide 30

31 Použitý referenční model Application Application Transport Transport Network Network Network Network Data Link Data Link Data Link Data Link Physical Physical Physical Physical Radio Medium BMS0x0 Slide 31

32 Application layer Transport layer Network layer Jednotlivé vrstvy Lokalizace služeb Nové aplikace Adaptivní aplikace Řízení toku dat QOS - quality of service Adresování, směrování, lokalizace zařízení handover Data link layer Physical layer Autentizace Multiplexování Přístup k médiu Šifrování Modulace Interference Řízení výkonu Frekvence BMS0x0 Slide 32

33 Globální pohled na sítě Regionální sítě vertikální handover Metropolitní sítě Lokalitní (campus-based) sítě horizontální handover Domácí sítě BMS0x0 Slide 33