Беспроводные системы передачи данныхlvk.cs.msu.su/~vbabernov/Беспроводные СПД_v2.pdf · qos, т.е ... устройств в наземных

Беспроводные системы передачи данных

Доп. Главы компьютерных сетейчл.-корр РАН Смелянский Р.Л.

12.09.2017 Доп. главы компьютерных сетей. чл.-кор. РАН Смелянский Р.Л. 2

Хронология беспроводной связи• 1895 г. А.С.Попов предложил способ беспроводной передачи информации.• 1895 г. Маркони послал беспроводной сигнал из своего сада в поле на расстояние 3 км. Тогда же

предложил использование беспроводной связи министерству почты и телеграфа, но получил отказ.

• 1896 г. Маркони приехал в Великобританию, где продемонстрировал свой аппарат: с помощью азбуки Морзе передал сигнал с крыши лондонского почтамта в другое здание на расстояние 1,5 км.

• 2 июля 1897 года Маркони получил патент и уже 20 июля создал и организовал акционерное общество «Маркони К°».

• 1906 г. Reginald Fesseden успешно передал по радио речевое сообщение. До этого момента все сообщения с помощью радиосвязи передавались с помощью азбуки Морзе.

• 1910 г. J.A. Fleming изобрел вакуумную электронную лампу, что позволило усовершенствовать систему радиосвязи.

• 1921 г. Департамент полиции Детройта использовал частоту 2 Мгц в своей автомобильной системе радиосвязи. Система была односторонней и полицейскому для ответа на поступившее по радио сообщение надо было найти проводный телефонный аппарат.

• 1930-е Был разработан принцип амплитудной модуляции (АМ) и двусторонние системы мобильной связи.


Хронология беспроводной связи• 1935 г. Изобретение принципа частотной модуляции (ЧМ) усовершенствовало качество

передачи речи. Применение ЧМ привело к отказу от больших передатчиков с АМ, что в свою очередь привело к появлению более миниатюрного оборудования радиосвязи с меньшим потреблением электроэнергии. Это сделало использование передатчиков в автомобилях более практичным.

• 1940-е Федеральная комиссия связи (FCC) признала услугу связи, которую она классифицировала как Местную наземную сеть мобильной радиосвязи общего пользования (DPLM). Первая система DPLM была установлена в 1946 году в г. Сент-Луис (St. Louis). Она использовала полосу 150 Мгц. В 1947 году вдоль автомагистрали Нью-Йорк – Бостон была развернута система, использовавшая полосу 35-40 Мгц.

• 1947 г. D.H. Ring из Bell Laboratories доложил о разработке концепции сотовой связи.

• 1948 г. Shockley, Bardeen и Brittain из Bell Laboratories изобрели транзистор, который позволил сделать все электронное оборудование, включая оборудование радиосвязи, миниатюрным .


Хронология сотовой связи• 1958 г. Компания Bell Systems сделала предложение для широкополосной связи.• 1964 г. Компания AT&T представила Усовершенствованную телефонную систему

мобильной связи (IMTS).• 1969 г. Скандинавские страны (Дания, Финляндия, Исландия, Норвегия и Швеция)

пришли к соглашению о формировании группы для изучения областей совместного действия в телекоммуникации и разработки рекомендаций. Это привело к стандартизации телекоммуникаций всех членов группы Скандинавской мобильной телефонной связи (Nordic Mobile Telephone - NMT), первой международной группы стандартизации в области мобильной связи.

• 1973 г. Группа NMT специфицирует свойства, позволяющие осуществлять подвижную телефонную связь как в пределах сети мобильной связи, так и между сетями при перемещении абонента из одной сети в другую. Это свойство легло в основу роуминга.


Хронология сотовой связи

• 1979 г. FCC утвердила установку и тестирование первой сотовой системы в США (Illinois Bell telephone Company).

• 1981 г. Шведская компания Эрикссон в Саудовской Аравии ввела в эксплуатацию первую в мире систему сотовой связи на основе аналогового стандарта NMT 450.

• 1991 г. Представлен первый стандарт цифровой сотовой связи (GSM).• 1998 г. Число абонентов мобильной связи по всему миру достигло 200

миллионов.• 1999 г. Выпущен стандарт пакетной передачи данных GPRS.• 2000 г. В Монако, на острове Мен и в Швеции построены первые

тестовые сети 3G, в Великобритании выпущены первые лицензии 3G.• 2001 г. С сетях 3G были сделаны первые успешные тестовые вызовы.• 2002 г. Сети TDMA в Америке переводятся на стандарт GSM.


Использование электромагнитного спектра для передачи данных

Wireless

Иерархия беспроводных широкополосных технологий


12.09.2017Введение в компьютерные сети проф.Смелянский Р.Л. 8

(a) случай скрытой станции (b) случай мнимой станции

зона действия сигнала

Особенности беспроводной коммуникации


RTS/CTS протокол


Wireless Fidelity: используемые частоты

Cisco Systems


Стандарты WiFi


DSSS –Расширения спектра методом прямой последовательности

0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1

0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1

Исходная последовательность чипов

Результирующая последовательность чипов

0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 11 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0

единица

ноль

помехи


Принцип разделения сот по частотам


Конфигурации подключения к WiFi

Интернет


Структура кадра WiFi

Поле «Frame Control» является составным. Заголовки поля “Frame Control”Поле «Protocol» содержит версию протокола, в данном стандарте – 0.Поле «Туре» определяет тип фрейма. В рамках стандарта определено три типа фреймов:

Management (00) – фреймы для передачи служебной информации (Beacon, Probe Request, Authentication и т.д.);Control (01) – используются для контроля доступа к среде передачи, например RTS, CTS, АСК;Data (02) – служат для передачи полезной информации.Каждый тип фрейма делится на подтипы, определяемые значением поля «Subtype».

Бит «То DS» установлен в единицу, если фрейм адресован точке доступа для передачи его в обычную сеть (с точки зрения стандарта – DS) или другому абоненту из данного BSS. Бит «From DS» установлен в единицу, соответственно, если фрейм направлен из DS.Бит «More Frags» установлен в единицу, если фрейм разбит на фрагменты и данный фрагмент не последний.Поле «Retry» указывает на то, что данный фрейм – повторная передача предыдущего фрейма, что позволяет принимающей станции распознавать повторяющиеся фреймы, возникающие из-за потери подтверждений.Бит «Power» означает, что после передачи данного фрейма станция переходит в режим энергосбережения из активного режима или наоборот. Бит «More Data» используется точкой доступа для того, чтобы сообщить станции, что для нее имеются данные (в буфере в точке доступа).Бит «WEP» указывает на то, что фрейм зашифрован по протоколу WEP.Бит «Order» указывает на то, что фрейм не нуждается в обеспечении QoS, т.е. порядок следования этого фрейма в потоке не важен (его можно обгонять).


Алгоритм передачи в IEEE 802.111. При потребности передачи выбираем случайным образом номер из

0-31 – количество слотов ожидания (W)2. Слушаем эфир

A. если эфир занят - идет передача a) пропустили Duration того кто передает, то ждем конца передачи и к

шагу B по сформированному Wb) поймали Duration, то W = W + Duration (услышанный) + ack + 1 slot

переход к шагу B

B. Countdown W: обратный отсчет W до 0С. если эфир свободен, то передаем и ждем ack2.1. если асk не пришел, то коллизия и переход к 12.2. если ack пришел, то кадр передан и переход к 1

3. Если W достиг 0, но в этот момент кто-то начал передачу, то либо ждем, пока он не закончит, либо формируем W как в b) и обратный отсчет.


Сотовая радиотелефония – немного истории

• Аналоговая сотовая телефония– IMPS (1964 г.)– AMPS(1982 г.)


Развитая мобильная телефонная система -AMPS

• В 1982 году компания Bell Labs предложила систему AMPS (Advanced Mobil Telephone System)

• Принципы организации сотовой связи– Базы (BS)– Центры мобильной коммутации (MSC)– Перемещение между сотами– Распределение каналов в сотах

• В системе AMPS используется метод FDMA – разделения частот. Весь диапазон частот 824-894 МГц разделены на 832 дуплексных канала: 824 - 849 MГц для передачи и 869 –894 МГц - для приема. Каждый канал шириной в 30 КГц. Все каналы делятся на четыре категории: Управляющие, Для сообщений, Установки доступа и распределения каналов, Данные - голос, данные или факс.

• Управление вызовом • Основной недостаток – незащищенность от подслушивания


Цифровая сотовая телефония

Цифровая сотовая телефония– GSM (Global System for Mobil communication)– Основная цель стандарта GSM была обеспечить людям

возможность, свободно передвигаясь, как внутри страны, так и между странами, поддерживать связь с любыми абонентами сети. При этом в каждой стране может быть одна или несколько функционирующих сетей.

1991 г. Представлен первый стандарт цифровой сотовой связи (GSM).1998 г. Число абонентов мобильной связи по всему миру достигло 200 миллионов.


Схема работы GSM-сети

HLR

MSC

MSC

VLR

VLRMSC

BS

BS

BS

200 дуплексныхканалов по 200 КГц в каждом направлении(124 – рабочих76 – резерв + служебные)

SIM карта (PIN)(IMSI, IMEI)

MS

Наземная сеть

PLMN(Provider Local Mobile Network)

TMSI

MSISDN-Mobile Subscriber ISDN, IMSI, IMEI и многое другое

Архитектура голосовой части GSM


Установка BTS


GSM каналы


Иерархия GSM кадров

148 разрядный кадр данных


GPRS служба

• GPRS (General Packet Radio Service) - служба пакетной передачи данных по радиоканалу.

• повышения скорости (максимум составляет 171.2 Кбит/с), • при использовании GPRS службы расчеты производятся

пропорционально объему переданной информации, а не времени использования канала.

• "пакеты" данных передают одновременно по многим каналам только в паузах - голосовой трафик имеет безусловный приоритет перед данными.


Структура GPRS службы 2G


Стандарты для 3G и 4G (LTE) сетей

• От GSM к UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

– EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) - повышенная скорость передачи данных для глобальной эволюции (до 384 кбит/с в 8 GSM каналах по 48 Кб/с).

– CDMA - IS 95– WCDMA (Широкополосный Многостанционный Доступ с

Кодовым Разделением 2Мб/сек на частоте 2ГГц). • Услуги персональной связи

WCDMA – доступ с разделением кодов


Услуги и приложения в LTE (GSM 4G, 5G)


• мультиплексирование посредством ортогональных несущих OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing),

• многоантенные системы MIMO(Multiple Input Multiple Output)

• эволюционная системная архитектура сети (System Architecture Evolution).

Основные компоненты технологии LTE

Архитектура LTE системы


• Модуль управления мобильностью (MobilityManagement Entity, MME) обеспечивает хранение служебной информации об абоненте и управление ею, авторизацию терминальных устройств в наземных сетях мобильной связи и общее управление мобильностью;

• Модуль управления абонентом (User PlaneEntity, UPE) отвечает за установление нисходящего соединения, шифрование данных, маршрутизацию и пересылку пакетов;

• 3GPP-якорь играет роль шлюза между сетями 2G/3G и LTE;

• SAE-якорь используется для поддержки непрерывности сервиса при перемещении абонента между сетями, как соответствующими спецификациям 3GPP, так и нет (I-WLAN и т.п.). •

WiFi access

3G\2G access

RAN

Ресурсная сетка LTE при стандартном шаге поднесущих Δf = 15 кГц


длительности OFDM-символа 66,7 мкс

LTE итог


** Максимальная скорость передачи •• данных в нисходящем радиоканале до 1 Гбит/с, в восходящем – до 500 Мбит/с (средняя пропускная способность на одного абонента – в три раза выше, чем в LTE);

•• Полоса пропускания в нисходящем радиоканале – 70 МГц, в восходящем – 40 МГц;

•• Максимальная эффективность использования спектра в нисходящем радиоканале –30 бит/c/Гц, в восходящем – 15 бит/c/Гц (втрое выше, чем в LTE);

•• Полная совместимость и взаимодействие с LTE и другими 3GPP системами.


Организация WiMax сети


Комбинация WiFi и WiMax


Соотношение стандартов беспроводной связи

5G сети


• Увеличение скорости на порядок• Сеть подстраивается под клиента – умные антенны• Ггц диапазон там где нужен скоростной Интернет (нет полного покрытия)• МIMO 4x4 и более• device-to-device режим• Совместимость с 2, 3, 4G сетями и WiMax


В качестве заключения

Documents

Беспроводные системы передачи данныхlvk.cs.msu.su/~vbabernov/Беспроводные СПД_v2.pdf · qos, т.е ... устройств в наземных