KIT VŠE v Praze IT_420 Komunikační technologie a služby Téma 10: Bezdrátové technologie a sítě Verze 1.7 Jandoš, Matuška
Obsah Bezdrátové místní sítě WLAN dle standardu IEEE 802.11 HiperLAN dle ETSI Bluetooth Dvoubodová pojítka Fixed Wireless Access (FWA) GSM, EDGE, UMTS, 4G Satelity, VSAT IT_420 Komunikační technologie a služby 2
Bezdrátové sítě - vlastnosti Komunikační sítě využívající pro přenos šíření elektromagnetického vlnění ve volném prostoru (typicky v atmosféře, signál se šíří vzduchem ) Přenosové médium je fyzicky sdíleno mezi všemi účastníky komunikace Různé bezdrátové technologie využívají různá přenosová pásma = používají pro vysílání různé rozsahy frekvencí elektromagnetického vlnění. IT_420 Komunikační technologie a služby 3
Frekvenční spektrum 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 m (vln. délka) Elektřina, zvuk Radiové vlny Mikrovlny IR vlny UV alfa bezšňůrové tel. NMT+GSM světlo AM rozhlas satelit FM rozhlas + TV infračervené spoje optická vlákna a laserové spoje 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11 10 12 10 13 10 14 10 15 10 16 10 17 Hz (frekvence) IT_420 Komunikační technologie a služby 4
Typ služby Frekvence Rozhlas Bezdrátové sítě přehled TV 30 MHz - 1 GHz Paging Bezšňůr. Telefony analogové Bezšňůr. Telefony digitální NMT GSM UMTS Bluetooth IEEE 802.11b IEEE 802.11a HIPERLAN Satelit pásma L a S Satelit pásmo C Satelit pásmo K FWA 200 khz - 20 MHz/88-108 MHz řádově stovky MHz (80/170/450) 100/914-915/959-960/885-887/930-932 MHz 864-868/1880-1900 MHz 450 MHz 900/1800/1900 MHz 1,9 GHz - 2,1 GHz 2,4 GHz 2,4 GHz 5,1-5,3 GHz 5,1-5,3 GHz 1,5/1,6/1,9/2,2 GHz 4/6 GHz 11-14/20-30 GHz 2,4/3,5/10,5/26/(28) GHz IT_420 Komunikační technologie a služby 5
Bezdrátové sítě - vlastnosti Pro vysílání a příjem signálu se používá anténa (směrová nebo všesměrová) Důležité charakteristiky bezdrátových sítí: Použité přenosové frekvence (v Hz) Dosah komunikace (vzdálenost, na kterou je signál ještě použitelný) Přenosová rychlost Vlivy prostředí na přenášený signál (rušení) IT_420 Komunikační technologie a služby 6
KIT VŠE v Praze Bezdrátové sítě LAN (WLAN) dle IEEE 802.11
WLAN dle 802.11 Bezdrátové sítě (WLAN Wireless LAN) pro přenos dat místního rozsahu - typicky maximálně stovky metrů, obvykle méně, se speciálními anténami však až řádově km. Přenosové médium je atmosféra sdílené. Na rozdíl od drátových sítí jsou bezdrátové sítě méně spolehlivé, k poruchám v přenosu dochází vlivem rušení. V této kapitole se zabýváme WLAN dle standardů IEEE 802.11 IT_420 Komunikační technologie a služby 8
WLAN 802.11 standardizace Standardy definují (podobně jako pro LAN) 1. vrstvu přenosové techniky pro vysílání na medium 2. vrstvu podvrstvumac: metodu přístupu k mediu a formát rámce Nad podvrstvou MAC je použit standard IEEE 802.2 (LLC, jako u jiných LAN) Vyšší vrstvy Spojová vrstva (2.) LLC Logical Link Control podvrstva MAC Media Access Control podvrstva Fyzická vrstva (1.) 802.11 Infračervené 802.11 802.11 802.11a 802.11b 802.11g FHSS DSSS OFDM HR-DSSS OFDM IT_420 Komunikační technologie a služby 9
WLAN 802.11 standardizace Pásmo Rychlost Modulace Poznámka 802.11 2,4 GHz, infrared 1 a 2 Mbit/s FHSS, DSSS Původní standard 802.11a 5 GHz 54 Mbit/s OFDM Wi-Fi 5 802.11b 2,4 GHz 11 Mbit/s HR DSSS Wi-Fi 802.11g 2,4 GHz 54 Mbit/s OFDM Zpětná slučitelnost s 802.11b 802.11h 5 GHz 54 Mbit/s OFDM Evropský standard k 802.11a DFS (výběr kanálu), TPC (řízení vysílacího výkonu) IT_420 Komunikační technologie a služby 10
WLAN 802.11 standardizace Doplňující standardy: 802.11c - práce můstků v rámci podvrstvy MAC (Media Access Control) 802.11 a je doplňkem k normě transparentních můstcích. 802.11d - Upravuje 802.11b pro jiné kmitočty s cílem umožnit nasazení WLAN v místech, kde není ISM pásmo 2,4 GHz dostupné. 802.11e -Doplňuje podporu pro kvalitu služeb QoS (s využitím TDMA) a opravu chyb do podvrstvy MAC tam, kde zatím nebyla. 802.11f - Zabývá se tzv. roamingem při přechodu mezi dvěma rádiovými kanály nebo připojením k jinému přístupovému bodu. Má umožnit spolupráci přístupových bodů od různých výrobců ve WLAN. 802.11i -Doplňuje bezpečnost do podvrstvy MAC na podporu všech fyzických vrstev používaných v IEEE 802.11 sítích. Místo dosavadního WEP bude používat nový způsob šifrování - Advanced Encryption Standard (AES). 802.11j - řeší koexistence konkurenčních standardů 802.11a a HIPERLAN/2 na stejných vlnách. IT_420 Komunikační technologie a služby 11
802.11 Frekvenční pásmo 2,4 GHz: veřejné pásmo, není potřeba licence od ČTÚ na provoz zařízení Možné silné rušení, neboť v tomto pásmu pracují např. bezdrátové telefony, mikrovlnné trouby ale i zařízení Bluetooth 5 GHz: dříve v ČR neveřejné pásmo, nyní návrh ČTÚ na zpřístupnění na základě licence Zařízení musí obsahovat techniky na dynamický výběr kanálu (DFS) a omezení vyzářeného výkonu (TPC) Méně rušení než 2,4 GHz V úvahu přichází sítě dle 802.11a, 802.11h a HIPERLAN2 (viz. dále) IT_420 Komunikační technologie a služby 12
802.11 přenosové rychlosti Vychází z použité modulační techniky a šířky využívaného pásma: Teoretické max. rychlosti od 1 Mbit/s až po 54 Mbit/s (srovnatelné s LAN technologiemi) Skutečné rychlosti jsou závislé mj. na: Vzdálenosti Stupni zarušení frekvenčního pásma Počtu komunikujících stanic Reálná přenosová rychlost je cca 50% uváděné přenosové rychlosti. IT_420 Komunikační technologie a služby 13
802.11 modulační techniky DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) - technika přímé sekvence s rozprostřeným spektrem. Každý přenášený bit se rozloží do několika redundantních datových bloků, tzv. čipů, které se přenášejí různými frekvenčními kanály najednou (data je pak možné snadněji rekonstruovat, pokud se při přenosu poškodí). HR-DSSS (High Rate DSSS) podporuje vyšší rychlosti 5,5 a 11 Mbit/s díky vyšší modulační rychlosti a jinému kódování (Walsh/Hadamard) než původní DSSS (1 a 2 Mbit/s) FHSS (Frequency Hopped Spread Spectrum) technika frekvenčních přeskoků srozprostřeným spektrem. Při přenosu dochází k rychlým (po 400 ms) změnám používané frekvence, takže je menší riziko trvalého rušení. Používá se opět větší počet frekvenčních kanálů. DSSS má ve srovnání s FHSS vyšší přenosovou rychlost, méně efektivně využívá přenosové pásmo a je náchylnější krušení. IT_420 Komunikační technologie a služby 14
802.11 modulační techniky OFDM (Orgthogonal Frequency Division Multiplexing) - ortogonální frekvenční multiplex. Rozděluje disponibilní frekvenční spektrum na jednotlivé subkanály, po nichž jsou přenášeny samostatné signály. Data určená k přenosu jsou průběžně rozdělována do jednotlivých dílčích přenosových kanálů a to tak, že se sledují aktuální přenosové možnosti jednotlivých kanálů. Málo rušené kanály jsou využívány intenzivněji, než ostatní kanály se zhoršenými přenosovými vlastnostmi. Metoda se používá i technologiích xdsl a PLC (drátové) DFIR infračervené bezdrátové spojení Pracuje v pásmu 850 až 950 nm s max. výkonem 2 W. Používá se čtyř nebo šestnáctiúrovňová pulsně-poziční modulace, jsou podporovány rychlosti 1 i 2 Mb/s. IT_420 Komunikační technologie a služby 15
802.11 dosah Dosah konkrétní implementace závisí na použitém standardu i na provedení konkrétního zařízení. V zásadě platí, že čím vyšší přenosová rychlost, tím menší dosah. Existují proprietární implementace s dosahem až 7 km (používají se speciální antény přístupového bodu). Příklad dosahu - Compaq WL215 Wireless USB adaptér: Rychlost (Mbit/s) 11 5,5 2 1 Otevřený prostor 160 m 270 m 400 m 550 m Polootevřený prostor 50 m 70 m 90 m 115 m Uzavřený prostor 25 m 35 m 40 m 50 m IT_420 Komunikační technologie a služby 16
WLAN 802.11 topologie Topologie A: Hvězdicová topologie s přístupovým bodem, tzv. Access Pointem (AP) je typická. Klientské stanice (počítače vybavené bezdrátovým sítovým adapterem) jsou bezdrátově propojeny na přístupový bod. Jednotlivé klientské stanice spolu nekomunikují přímo, ale pouze přes AP. Ten zprostředkovává drátové propojení do klasické drátové sítě. Touto sítí může být: Neveřejná síť, např. podnikový Ethernet. Wireless LAN pak je bezdrátové rozšíření klasické LAN typu Ethernet. Veřejná síť, např. Internet (přes různé pevné technologie). Bezdrátová LAN pak je přístupovou sítí do Internetu. Na jeden AP lze připojit cca 15 50 klientských bezdrátových adaptérů, které vyvářejí tzv. buňku. Každá buňka představuje jeden sdílený přenosový kanál, o jehož kapacitu se dělí všechny stanice v buňce. IT_420 Komunikační technologie a služby 17
WLAN 802.11 topologie Topologie B: bod-bod (peer-to-peer) Klienti (počítače vybavené kartou pro bezdrátové připojení do sítě) komunikují navzájem přímo mezi sebou (tedy bez jakéhokoliv centrálního prvku typu Access Point). Tato topologie odpovídá drátovému přímému propojení (kroucenou dvoulinkou, příp. koaxiálním kabelem). Tento typ propojení se v praxi využívá zřídka (např. pro propojení několika málo počítačů v rámci jedné kanceláře bez návaznosti na další síť nebo server). Stanice sdílí kapacitu bezdrátového přenosového kanálu analogicky jako v topologii A. IT_420 Komunikační technologie a služby 18
802.11 formát rámce a MAC Formát rámce je odlišný od sítí typu 802.3 Ethernet. Obsahuje adresy odesílatele a příjemce (ve standardním formátu IEEE 802) a další adresu pro potřeby adresování AP. Délka informačního pole je maximálně 2312 bytů, v praxi se však rámec z důvodů možné poruchy při přenosu dělí na několik kratších rámců. Existují dva režimy práce sítě, které využívají různé přístupové metody k mediu (MAC): režim DCF (Distributed Coordination Function) režim PCF (Point Coordination Function) IT_420 Komunikační technologie a služby 19
802.11 MAC DCF (1/2) V tomto režimu se využívá metoda CSMA/CA (CSMA/Collision Avoidance), v níž lze využít dva způsoby práce. A/První způsob (koncept) DCF: Stanice, která chce vysílat poslouchá na přenosovém kanále a pokud není obsazen, vyšle celý rámec (nenaslouchá během vysílání). Pokud nedojde ke správnému přenesení rámce, stanice čeká náhodný časový interval a pak opět poslouchá, aby případně vyslala rámec znovu. IT_420 Komunikační technologie a služby 20
802.11 MAC DCF (2/2) B/Druhý způsob (koncept) DCF: Stanice, která chce vysílat, pošle adresátovi krátký rámec RTS (obsahující mj. informaci o délce skutečného rámce, který chce tato stanice následně vyslat). Adresát odpoví vysílači krátkým rámcem CTS (obsahujícím též délku skutečného rámce). Po jeho přijetí vysílač vyšle skutečný datový rámec. Adresát mu potvrdí příjem krátkým rámcem ACK čímž je přenos úspěšně ukončen. Pokud vysílač nedostane ACK za určitou dobu, považuje přenos za neúspěšný. Všechny stanice v síti sledují provoz na kanále, zejména délky rámců v rámcích RTS a CTS a zapisují tyto informace do tzv. Network Allocation Vectoru (není přenášen!). Na jeho základě však daná stanice neusiluje po určitou dobu (odpovídající délkám rámce v RTS, CTS) o přístup ke kanálu, aby nezvyšovala možnost kolize. IT_420 Komunikační technologie a služby 21
802.11 MAC PCF Režim PCF je volitelný provoz řídí AP jako centrální prvek. Ten se periodicky dotazuje stanic, zda chtějí přenášet a na základě jejich požadavku přiděluje přenosové pásmo. V tomto režimu nedochází ke kolizím. Standard však nedefinuje frekvenci dotazů centrální stanice, ani to, zda všechny stanice dostávají stejný podíl přenosové kapacity. IT_420 Komunikační technologie a služby 22
WLAN 802.11 - mobilita Podpora mobility stanice v rámci jedné sítě je zajištěna službami sítě pro registraci stanice, která se přemísťuje z oblasti jednoho přístupového bodu do oblasti jiného AP. Mobilita mezi různými sítěmi WLAN (např. různých poskytovatelů) není ve standardech 802.11 řešena IT_420 Komunikační technologie a služby 23
802.11 bezpečnost Bezpečnost je problém Veřejné sdílené médium Snadný odposlech Snadné podvrhnutí rámců Opomenutí bezpečnosti při návrhu původního standardu - slabý mechanismus WEP aj. Standard 802.11i místo dosud používané metody WEP zavádí dokonalejší prostředky zajištění bezpečnosti, mj. šifrování pomocí AES. V současné době se využívá kvalitnějšího zabezpečení na vyšších vrstvách (např. IPSec, není součástí standardů 802.11) IT_420 Komunikační technologie a služby 24
WLAN 802.11 - Realizace PCI, PCMCIA, USB síťové adaptéry (s integrovanou nebo externí anténou) pro stanice. Access Point (AP) se připojí jako aktivní prvek druhé vrstvy (přepínač) s rozhraním do bezdrátové a drátové sítě (nejčastěji Fast/Ethernet) IT_420 Komunikační technologie a služby 25
WLAN 802.11 - zhodnocení Přednosti Odpadá nutnost pokládání kabeláže (instalace sítě je relativně jednoduchá a rychlá). Lze je tedy budovat i v interiérech budov, kde by pokládání kabeláže z různých důvodů nebylo povoleno Rychlá a relativně levná instalace (přístupový bod) Snadno lze provádět změny (např. přidávání stanic) Při vhodných podmínkách přenosové rychlosti na úrovni LAN Podpora mobilních stanic Nevýhody Rušení, hlavně 2,4 GHz Zatím slabá bezpečnost Proměnlivá rychlost, nelze garantovat QoS IT_420 Komunikační technologie a služby 26
WLAN 802.11 - použití Převládá využití v topologii s přístupovým bodem (AP) jako přístupové sítě k Internetu. V tomto případě je typicky na přístupový bod navázán most provádějící převod do formátu rámce Ethernetu. Tyto přístupové sítě zřizují různé subjekty Soukromí uživatelé (tj. WLAN je v jeho majetku a tu připojí uživatel na PoP ISP), Hotely, letiště, nemocnice ISP či provozovatelé sítí GSM mohou takto levněji zajistit připojení na Internet pro stacionární uživatele, než přes GSM. Veřejné zóny s přístupovým bodem se označují jako hotspot. CZ-FreeNet: neziskový projekt pražské metropolitní sítě založený na dobrovolném propojení přístupových bodů dle 802.11b, které patří soukromým uživatelům http://czfree.net IT_420 Komunikační technologie a služby 27
HiperLAN KIT VŠE v Praze
HiperLAN Standard HiperLAN (High Performance Radio LAN) rozpracován a standardizován v Evropě -ETSI. Pracuje ve frekvenčním pásmu 5 GHz Topologie sítě je podobná jako u 802.11 s centrálním Access-Pointem (AP) nebo peer-to-peer. Rozšíření sítí HiperLAN je výrazně menší než sítí dle standardu 802.11 IT_420 Komunikační technologie a služby 29
HiperLAN Fungování MAC (pod)vrstvy: Nevyužívá se metoda CSMA/CA, ale řízení centrálním prvkem (nejčastěji AP) na principu TDMA, který je odpovědný za plánování příjmu a vysílání rámců. V režimu časového duplexu (TDD, Time- Division Duplex) se posílají rámce s řídicími informacemi spolu s uživatelskými daty v časových úsecích po 2 ms. Toto řešení umožňují zajistit QoS, zejména pro provoz citlivý na zpoždění. IT_420 Komunikační technologie a služby 30
HiperLAN rychlosti a vzdálenosti Minimální rozpětí mezi dvěma uzly v síti je 50 centimentrů. HIPERLAN 1 (starší norma) U asynchronních služeb je rychlost 20 Mbit/s při vzdálenosti 50 metrů, při vzdálenosti 800 metrů je použita rychlost 1 Mbit/s. U synchronních služeb se rychlost pohybuje v rozmezí 64 kbit/s a dalších násobků až do 2 Mbit/s HIPERLAN 2 Maximální rychlost je 54Mbit/s Na rozdíl od HIPERLAN 1 využívá modulaci OFDM IT_420 Komunikační technologie a služby 31
HiperLAN navazující služby HIPERACCESS - verze venkovní pevné bezdrátové sítě (FWA) s delším dosahem, pracující v pásmu 40,5-43,5 GHz, s rychlostmi do 25 Mbit/s, pro přístup domácích uživatelů nebo malých podniků k IP, ATM nebo UMTS. HIPERLINK - vysokorychlostní rádiová síť určená pro statické propojení HIPERACCESS nebo připojení HIPERLAN k rozlehlé bezdrátové síti; s rychlostmi do 155 Mbit/s do vzdálenosti 150 metrů, v pásmu 17 GHz. HIPERMAN -síť v pásmu 2-11 GHz na základě normy IEEE 802.16a pro bezdrátové metropolitní sítě. ETSI bude nadále v této oblasti spolupracovat s IEEE 802.16. 5-UP - ETSI a IEEE založili společný projekt, jehož cílem má být vznik jediné normy označované jako 5GHz Unified Protocol. Tři kanály mají poskytovat skutečnou propustnost kolem 100 Mbit/s. Součástí bude garantovaná kvalita služeb a zajištěná bezpečnost komunikace. IT_420 Komunikační technologie a služby 32
Bluetooth (IEEE 802.15) KIT VŠE v Praze
Bluetooth Je technologií pro bezdrátovou komunikaci pracující v nelicencovaném pásmu 2,4 GHz. Je založen na standardu IEEE 802.15 Propojuje elektronická zařízení v okruhu 10 metrů (tzv. PAN personal area network) nebo 100 metrů (v modifikované verzi). Přenosová rychlost: Hlas - 64 kb/s, v obou směrech (synchronní mód) Data - asymetricky (721 kb/s a 57,6 kb/s; U/D režim možno střídat) Data - symetricky (432,6 kb/s oběma směry) Vysílací výkony se pohybují v řádu miliwattů (0,001 W) IT_420 Komunikační technologie a služby 34
Bluetooth Technologie je zajišťována čipem umístěným v jednotlivých zařízeních, který se skládá z vysokofrekvenční části (vysílače a přijímače) a z řadiče (adaptér ke konkrétnímu zařízení). Jde o technologii vyvinutou za účelem nahrazení pevného propojení různých zařízení (klávesnice, myši, mikrofony, reproduktory, drobná příslušenství, mobilní telefony a jiná spotřební elektronika). Bluetooth je nenáročný na energii, nevyžaduje přímou viditelnost. IT_420 Komunikační technologie a služby 35
Bluetooth pikosítě Sítě se skládají z malých síťových struktur (víceméně náhodného seskupení různých zařízení), označovaných pojmem pikosíť. Každá pikosíť umožňuje za pomoci miniaturních terminálů obsahujících rádiový transciever (vysílač/přijímač) současnou bezdrátovou komunikaci na krátké vzdálenosti. Nejprve se spojí dvě zařízení, další zařízení se připojují až ktakto spojeným zařízením (dvojici Master/Slave, viz.). Specifikace Bluetooth dovoluje simultánně použít až 10 pikosítí v okolí stanice Master s maximálním dosahem 10 metrů. Připojení k sítí probíhá obdobně jako v případě sítí WLAN. Standard podporuje point-to-point i point-to-multipoint síť. IT_420 Komunikační technologie a služby 36
Bluetooth komunikace Master (čip aktivovaný v konkrétním prostoru jako první) Řídí frekvenční skoky, sestavuje komunikaci mezi ostatními čipy a přiděluje komunikační kanály Dokáže řídit až sedm čipů vmódu Slave Stará se o přidělování frekvencí jednotlivým zařízením, které má zajistit, aby jednotlivá zařízení v okolí nezačala přenášet ve stejný okamžik na stejném kanále. Rozpoznává komunikaci ve svém okolí na stanovených frekvencích. Pokud rozpozná ve svém okolí nějakou aktivitu, začne vysílat řídící informace. Slave ostatní čipy v dosahu čipu se stavem Master IT_420 Komunikační technologie a služby 37
Bluetooth - rozvoj Verze 1.2 současného standardu by měla umožnit přenosové rychlosti v řádu 2-3 Mb/s. V modifikaci Bluetooth 2 se počítá s rychlejším přenosem hlasu a dat až do 12 Mb/s. IT_420 Komunikační technologie a služby 38
Bluetooth - výhody Malé rozměry čipu Malá spotřeba energie, vhodné do mobilních zařízení. Nejsou nutné základnové stanice, vysílač je vkaždém zařízení Jednotlivé prostředky nemusí být v přímé viditelnosti, tím tato technologie překonává nevýhodu infračervených spojení Do budoucnosti se předpokládá vzájemné propojení Bluetooth a WiFi, protože obě používají stejné frekvenční pásmo. Využití této vlastnosti je nyní pouze v teoretické rovině. IT_420 Komunikační technologie a služby 39
Bluetooth - nevýhody Vyšší cena (zatím) Malé rozšíření Nízká rychlost přenosu. Nižší aplikační možnosti oproti sítím WLAN Bluetooth není díky malému dosahu vhodný jako náhrada kabelových sítí ani sítí WLAN. IT_420 Komunikační technologie a služby 40
KIT VŠE v Praze Dvoubodová bezdrátová pojítka (obecný přehled)
Mikrovlnné spoje Směrové přenosy na přímý dohled Dosah až 80 kilometrů (vysoký stožár), prakticky do 35 km Frekvence nad 100 MHz Pásma s generální licencí ( volná ) dle ČTÚ: 2,4 a 10 GHz Přenosová rychlost 1-25 Mbit/s. Do pevné sítě je ze zařízení typicky (Fast)Ethernet rozhraní. Řada proprietárních technologií různých výrobců (není potřeba kompatibilita) Využití: Datová propojení bod-bod Bezdrátové propojení sítí Ethernet, mostů, směrovačů a komunikačních karet Ad hoc přístupová síť k Internetu IT_420 Komunikační technologie a služby 42
Optické/IR bezkabelové spoje Bezkabelové ( svítí se do atmosféry) Není potřeba povolení od regulátora Jednosměrný paprsek (na obousměrný přenos potřeba dva spoje) Velmi směrový charakter Signál neprochází pevnými překážkami Závislé na počasí (déšť, mlha) a nepřerušené viditelnosti (ptáci ) Optické spoje Frekvenční spektrum viditelného záření (světla): přes 100 THz Dvoubodové propojení až na vzdálenost 5 km s kapacitou až 150 Mbit/s (typicky méně) Infračervené spoje Ve spektru 1 THz Dosah do 150 metrů při 150 Mbit/s, typicky však 10 Mbit/s (FirLAN) IT_420 Komunikační technologie a služby 43
KIT VŠE v Praze Pevné bezdrátové připojení (FWA) FWA Fixed Wireless Access BWA Broadband Wireless Access
FWA Sítě sloužící k bezdrátovému připojení uživatelů, kteří jsou stacionární (tj. ne mobilní) - narozdíl od sítí GSM, WLAN 802.11 apod. Sítě, které slouží zejména jako přístupové sítě k páteřním sítím (včetně Internetu) poskytovatele služeb. Typicky slouží k překonání "poslední míle" v těch případech, kdy pro tento účel nelze využít jiné vhodné technologie (xdsl, CATV, POTS, ) Základnové stanice jsou propojeny páteřní sítí (např. pomocí ATM), která zajistí požadovanou QoS pro jednotlivé služby (včetně hlasových a multimediálních). IT_420 Komunikační technologie a služby 45
FWA - topologie A - Point to Multi-point Založen na buňkovém principu. V centru buňky je umístěna základnová stanice, kolem které jsou stacionární koncové stanice uživatelů. Ty jsou typicky v dosahu do cca 5 km na přímou viditelnost. Základnové stanice jsou budovány v oblastech s hustým trvalým výskytem uživatelů (kanceláře), např. ve velkých městech. Oblasti pokrytí stanic FWA se (na rozdíl od GSM) nepřekrývají. S základnovou stanicí komunikují uživatelské stanice, nacházející se v dané oblasti pokrytí, v topologii hvězda. B - Point to Point Základnová stanice se nevyužívá. Málo časté. IT_420 Komunikační technologie a služby 46
FWA topologie P-MP Z centra základnové stanice jsou vytvořeny výseče (180, 90, 30 nebo 12,5 stupňů) směrem ke koncovým stanicím. V každé výseči všichni uživatelé sdílí stejné pásmo a dělí se o přenosovou kapacitu. Každé výseči (sektoru) přidělí provozovatel jedno frekvenční pásmo, které je sdílené všemi účastníky/zákazníky v daném sektoru. Šířka pásma (a tedy i výsledná celková přenosová rychlost v sektoru) se může lišit v rozsahu 1,7 až 28 MHz. Pokud je zde jediný účastník, může využívat celé pásmo, což odpovídá maximální přenosové rychlosti (např. 30 Mbit/s). IT_420 Komunikační technologie a služby 47
FWA topologie P-MP Nutná přímá viditelnost (nebo použití doplňkových mechanismů). Vzdálenost mezi základnovou stanicí a terminálem může být až 4-6 km (případně i větší, ale s nižší spolehlivostí a odolností vůči atmosférickým vlivům). Terminál je vybaven anténou s průměrem typicky 30 cm (do 3 km) či 60 cm (nad 3 km). IT_420 Komunikační technologie a služby 48
FWA členění dle šíře pásma Úzkopásmové sítě FWA (narrowband): Označované též jako WLL (Wireless Local Loop). Tyto sítě pracují s nižšími frekvencemi - 1,8; 2,4 a 3,5 GHz a užším frekvenčním pásmem než širokopásmové FWA. V licencovaném pásmu (3,5 GHz) nabízí zajištění garantované kvality služby (QoS). Využívané pro datovou a případně i hlasovou komunikaci. Orientovány spíše na samostatné uživatele Proti širokopásmovým FWA: Nabízejí nižší přenosové rychlosti (do stovek kbit/s) Mají delší dosah IT_420 Komunikační technologie a služby 49
FWA členění dle šíře pásma Širokopásmové sítě FWA (broadband, BWA): Tyto sítě pracují s relativně vyššími frekvencemi - 10,5 26, 28, či 40 GHz a s širším frekvenčním pásmem. Jsou budovány primárně pro datovou komunikaci podnikových subjektů, tedy ne pro osoby/soukromníky. Díky vyhrazenému pásmu mohou nabízet služby vyšší kvality: datové připojení garantovanými parametry (SLA) s nesdílenou kapacitou (obdoba pevného drátového spoje za nižší cenu než pevný spoj). Proti úzkopásmovým FWA: Nabízejí vyšší přenosové rychlosti (typicky 8 Mbit/s, případně i vyšší do cca 30 Mbit/s) Mohou nabízet i služby se zaručenou kvalitou a velkým přenosovým pásmem Jsou nákladnější pro provozovatele i uživatele IT_420 Komunikační technologie a služby 50
FWA členění dle šíře pásma Typ FWA sítě Úzkopásmové (3,5 GHz) Širokopásmové (26 GHz) Přenosová rychlost Až 2 Mbit/s Typicky 8 Mbit/s, max. cca 30 Mbit/s (s menším dosahem) Dosah Typicky 10-30 km, maximálně 50 km Typicky 5 km IT_420 Komunikační technologie a služby 51
FWA frekvenční pásma (ČR) FWA pracuje v regulovaném i neregulovaném pásmu. 2,4 GHz - neregulované pásmo s generální licencí ČTÚ. Z tohoto důvodu je v něm velké množství operátorů, kteří se mohou ovlivňovat (a narušit funkci sítě) např. SkyNet - 64/256 kbit/s 3,5 GHz - regulované pásmo V ČR uděleno cca 8 celostátních licencí a několik regionálních 10,7 GHz - nelze v ČR využít, jsou zde jiné služby 26 GHz - regulované pásmo V ČR v roce 2000 uděleny 3 celostátní licence (Nextra, Broadnet, Star 21), 2 x 56 Mhz pro každou licenci Přenosové rychlosti 256 Kbit/s až 8 Mbit/s (v zásadě až 30 Mbit/s). Pásma 28 a 40 GHz nebyla zatím v ČR přidělena Sítě v ČR (i ve světě) pracují (1/2004) s proprietárními technologiemi, tedy nikoliv dle standardu 802.16 (viz dále). IT_420 Komunikační technologie a služby 52
FWA použití, bezpečnost Využití: emulace pevného drátového spoje pro: Propojení oddělených lokálních sítí (jako MAN) Přístupová síť k Internetu Hlasové služby VoIP VPN a další služby Pevná bezdrátová páteřní infrastruktura pro přístupové body do sítě (např. dle 802.11) Přenosové prostředí je u FWA podobně jako u všech bezdrátových sítí otevřené Je nezbytné řešit problematiku autentizace a šifrování (buď integrovaně nebo na vyšších vrstvách). IT_420 Komunikační technologie a služby 53
FWA přednosti a omezení Přednosti FWA Rychlé spojení v řádu desítek Mbit/s Snadná instalace (nejsou potřeba kabely) Možnost garantovat QoS Vhodné pro datové i hlasové služby Omezení FWA Nutná licence pro provozovatele ( ve většině pásem) Nutná přímá viditelnost (ne u 802.16a) Omezený dosah od přístupového bodu Dostupnost zatím pouze ve větších sídlech IT_420 Komunikační technologie a služby 54
FWA standard 802.16 Tzv. Wireless MAN, Wireless Local Loop Standard přijat 4/2002 Předpokládá point-to-multipoint topologii a celulární systém, stacionární (ne mobilní) uživatele. Podpora QoS (poskytování hlasových, datových a multimediálních služeb) WiMAX Forum (Worldwide Interoperability for Microwave Access Forum): pro sjednocení aktivit, prosazování a testování produktů na bázi 802.16. Proto je standard 802.16 označován WiMAX (oproti standardu 802.11b WiFi ) IT_420 Komunikační technologie a služby 55
FWA standard 802.16 Specifikuje 1. a 2. vrstvu OSI Frekvenční rozsah 10-66 GHz Nutná přímá viditelnost mezi terminálem a základnovou stanicí Standardizace 1. vrstvy Na 1. vrstvě používá kódování QPSK, QAM-16 a QAM-64 Přenosy: Kontinuální FDD (jiná frekvence pro download, jiná pro upload) Burst mode TDD (pásmo je rozdělené základnovou stanicí do časových úseků pro U a D. Úseky pro U se obsazují stanicemi v závislosti na požadované QoS stanice což zajištuje podvrstva MAC IT_420 Komunikační technologie a služby 56
FWA standard 802.16 Standardizace 2. vrstvy (MAC podvrstva) Před přenosem se sestaví spojení (na rozdíl od Ethernetu a 802.11) Každému spojení je při ustavení přidělena jedna ze 4 úrovní QoS, tj. CBR, VBR-RT, VBR-NRT, best effort. Časové úseky jsou jednotlivým spojením přidělovány různými způsoby spolupráce základní stanice a stanice/terminálu. IT_420 Komunikační technologie a služby 57
FWA standard 802.16 Standardizace 2. vrstvy (podvrstva bezpečnosti) Při připojení účastníka k základní stanici se provede autentizace s kryptografií veřejných klíčů RSA a využitím certifikátů dle X.509. Přenášené informace jsou kryptovány s využitím symetrických klíčů (DES či triple DES). IT_420 Komunikační technologie a služby 58
FWA standard 802.16a, b, e 802.16a - leden 2003 Pro licencovaná pásma v rozsahu 2-11 GHz Na 1. vrstvě se používá kódování/modulace OFDM Nevyžaduje přímou viditelnost mezi terminálem a základnovou stanicí Dosah 3-5 km ve městech a až 50 km v nezastavěných oblastech Rychlosti do 2 Mbit/s (pro koncového uživatele) Spolupráce s ETSI (sítě typu HiperMAN) IT_420 Komunikační technologie a služby 59
FWA standard 802.16a, b, e 802.16b: Pro nelicencovaná pásma především 5 GHz (ve světě) WirelessHUMAN Wireless High Speed Unlicensed MAN. Standardy 16a a 16b jsou přiblížením k 802.11 802.16e: podpora mobility; další krok k přiblížení k 802.11 IT_420 Komunikační technologie a služby 60
FWA standard 802.16 Dostupnost zařízení dle standardů skupiny 802.16* se očekává v roce 2004. IT_420 Komunikační technologie a služby 61
KIT VŠE v Praze GSM a další mobilní hlasové technologie
Mobilní sítě Mobilní sítí rozumíme bezdrátovou celulární síť umožnující komunikaci mobilních uživatelů. Mobilní sítě první generace (u nás od r. 1991) - analogové systémy NMT, AMPS, ETACS, C- Networks - byly orientovány na hlasové služby. Mobilní sítě druhé generace (u nás od r. 1996) - digitální systémy GSM 900, GSM 1800, PDC 1900, D-AMPS, PCS, CdmaOne, Digital CDMA a Digital TDMA se primárně orientují na hlasové služby, ale umožňují i jiné (datové) služby. IT_420 Komunikační technologie a služby 63
Mobilní sítě Mobilní sítě třetí generace UMTS (3G) jsou orientovány jak na hlasové (spojité), tak na datové (nespojité) služby. Zvýšení rychlosti přenosu a kapacity sítě oproti 2G Mobilní sítě čtvrté generace (4G) Primárně datový charakter sítě, nad kterou budou fungovat i hlasové služby (pomocí QoS) Podpora konektivity v WPAN, WLAN a celulární síti Zrychlení oproti 3G, zatím ve fázi výzkumu IT_420 Komunikační technologie a služby 64
Mobilní sítě GSM 1982 GSM (Groupe Spécial Mobile) při CEPT návrh panevropského komunikačního celulárního systému (mobilní sítě) v pásmu 900 Mhz. Hlasové služby, mezinárodní roaming. Od 1989 v ETSI (European Telecommunication Standards Institute) => GSM (Global System for Mobile communication), panevropský digitální celulární systém. Standardy GSM Phase 1 (1990), GSM Phase 2 (1995), GSM Phase 2+ (od 1996). Jimi postupně doplňovány další funkce a služby. Sítě na těchto standardech založené se označují GSM 2G resp. GSM 2,5G (jimi se dále zabýváme, pokud neuvedeno jinak) IT_420 Komunikační technologie a služby 65