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6: Redes Móveis e sem Fios 6-1
Redes Sem Fios e MóveisCap 6 do Kurose
Nota dos autores:We’re making these slides freely available to all (faculty, students, readers). They’re in PowerPoint form so you can add, modify, and delete slides (including this one) and slide content to suit your needs. They obviously represent a lot of work on our part. In return for use, we only ask the following: If you use these slides (e.g., in a class) in substantially unaltered form, that you mention their source (after all, we’d like people to use our book!) If you post any slides in substantially unaltered form on a www site, that you note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note our copyright of this material.
Thanks and enjoy! JFK/KWR
All material copyright 1996-2007J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved
Computer Networking: A Top Down Approach 4th edition. Jim Kurose, Keith RossAddison-Wesley, July 2007.
6: Redes Móveis e sem Fios 6-2
Introdução
# de assinantes de telefones móveis excede largamente o número de assinantes de telefones fixos 34 milhões em 1993; 2 bilhões em 2005
Redes de computadores cada vez mais com mais dispositivos móveis: laptops, palmtops, PDAs, telefones VOIP A mobilidade veio para ficar
Dois desafios importantes mas diferentes Comunicações sem fios : comunicação através de
ligações sem fios Mobilidade: gestão do utilizador móvel que muda
contantemente o seu ponto de ligação à rede
6: Redes Móveis e sem Fios 6-3
Sumário Introdução Ligações sem fios e
características da rede CDMA
Wi-Fi: Redes Locais sem fios 802.11
Arquitectura 802.11 Protocolo de acesso ao
meio 802.11 Quadro IEE 802.11 Mobilidade na mesma sub-
rede IP Funcionalidades avançadas
no 802.11 Para além do 802.11:
Bluetooth e WiMAX
Acesso celular à Internet Visão geral da Arquitectura
Celular Revisão sumária das normas
e tecnologias celulares Principios da Gestão da
Mobilidade Endereçamento Encaminhamento para um
nó móvel IP Móvel Gestão da Mobilidade em
Redes Celulares Encaminhamento de
chamadas para um utilizador móvel
Handoffs no GSM Redes sem fios e Mobilidade:
impacto nas camadas superiores
Sumário
6: Redes Móveis e sem Fios 6-4
Elementos de uma rede sem fios
Infra-estructurade Rede
Hosts sem fios laptop, PDA, telefone IP Correm aplicações Podem ser
estacionários ou móveis Sem fios não significa
mobilidade
6: Redes Móveis e sem Fios 6-5
Elementos de uma rede sem fios
Infra-estructurade Rede
Estação Base Conectada à rede com
fios, normalmente relay – responsável pelo
envio de pacotes entre hosts com e sem fios na sua “area” i.e., torres das
células , pontos de acesso 802.11
6: Redes Móveis e sem Fios 6-6
Elementos de uma rede sem fios
Infra-estructurade Rede
ligação sem fios Tipicamente usado para
ligar os móveis à estação base
Também usado como ligação de backbone
Acesso ao link coordenado por protocolos múltiplos
Variação no débito de dados e distância de transmissão
6: Redes Móveis e sem Fios 6-7
Características das normas para ligações sem fios seleccionadas
Indoor10-30m
Outdoor50-200m
Mid-rangeoutdoor
200m – 4 Km
Long-rangeoutdoor
5Km – 20 Km
.056
.384
1
4
5-11
54
IS-95, CDMA, GSM 2G
UMTS/WCDMA, CDMA2000 3G
802.15
802.11b
802.11a,g
UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO 3G cellularenhanced
802.16 (WiMAX)
802.11a,g point-to-point
200 802.11n
Dat
a ra
te (
Mbp
s)
data
6: Redes Móveis e sem Fios 6-8
Elementos de uma rede sem fios
Infra-estructurade Rede
modo infra-estructura Estação Base liga os
móveis à rede com fios
handoff: o móvel muda de estação de base que o liga à rede com fios
6: Redes Móveis e sem Fios 6-9
Elementos de uma rede sem fios
Modo ad hoc Sem estações de base Os nós podem apenas
transmitir para outros nós dentro sa sua área de cobertura
Os nós organizam-se em rede: encaminham através de si próprios
6: Redes Móveis e sem Fios 6-10
Taxonomia de Redes sem Fios
Salto único Saltos múltiplos
Infra-estructura(i.e., APs)
Sem Infra-estructura
host liga-se à estação de base (WiFi,WiMAX, cellular) que se liga à
Internet
Sem estação de base nemLigação à Internet
(Bluetooth, redes adhoc)
O host pode ter que passar por vários nós relay sem fios
para se ligar à Internet: mesh net
Sem estação de base, sem ligação à Internet. Pode ter que usar relaysPara atingir um dado nó
sem fios na MANET, VANET
6: Redes Móveis e sem Fios 6-11
Características das Ligações Sem Fios (1)Diferenças para as ligações com fios ….
Força decrescente do sinal : o sinal de rádio é bastante atenuado quando se propaga através do meio (perdas do percurso)
Interferência com outras fontes: as frequências normalizadas para redes sem fios (i.e., 2.4 GHz) são partilhadas com outros dispositivos como telefones ; Também há interferência com motores por exemplo
Propagação multi-percurso: o sinal de rádio reflecte-se na superfície dos objectos e no chão, chegando ao destino em várias réplicas do sinal em instantes diferentes.
…. Torna a comunicação (mesmo ponto-a-ponto)através de ligações sem fios muito mais “complicada”
6: Redes Móveis e sem Fios 6-12
Características das Ligações Sem Fios (2)
SNR: signal-to-noise ratio Maior SNR – mais fácil extrair
o sinal do ruído (uma “coisa boa”)
Compromissos SNR versus BER Dada a camada física:
aumenta a potência -> aumenta SNR->diminui BER
Dada a SNR: encontre uma camada física que se adapte aos requisitos BER, dando o máximo débito
• A SNR pode mudar com a mobilidade : adapte a camada física dinamicamente (técnica de modulação, débito)
10 20 30 40
QAM256 (8 Mbps)
QAM16 (4 Mbps)
BPSK (1 Mbps)
SNR(dB)B
ER
10-1
10-2
10-3
10-5
10-6
10-7
10-4
6: Redes Móveis e sem Fios 6-13
Características das Ligações Sem Fios (3)Múltiplos transmissores e receptores sem fios
criam problemas adicionais (para além do acesso múltiplo)
AB
C
Problema do terminal escondido B, A ouvem um ao outro B, C ouvem um ao outro A, C não podem ouvir-se entre si oque significa que não se apercebem
da interferência em B
A B C
Força do Sinal de A
space
Força doSinal de C
Atenuação do sinal: B, A ouvem um ao outro B, C ouvem um ao outro A, C não podem ouvir-se interferem
em B
6: Redes Móveis e sem Fios 6-14
Code Division Multiple Access (CDMA)
Usado em vários normas para canais broadcast sem fios (celular, satélite, etc)
Código único atribuído a cada utilizador, i.e. partição do conjunto de códigos
Todos os utilizadores partilham a mesma frequência, mas cada um deles tem a sua própria sequência de transporte (i.e. código) para codificar os dados
Sinal codificado = (dados originais) X (chipping sequence)
Descodificação = produto interno do sinal codificado com a sequência de transporte (chipping)
Permite a “coexistencia” de múltiplos utilizadores que transmitem simultaneamente com mínima interferência (se os códigos forem ortogonais)
6: Redes Móveis e sem Fios 6-15
CDMA Codificação/Descodificação
slot 1 slot 0
d1 = -1
1 1 1 1
1- 1- 1- 1-
Zi,m= di.cmd0 = 1
1 1 1 1
1- 1- 1- 1-
1 1 1 1
1- 1- 1- 1-
1 1 11
1-1- 1- 1-
slot 0channeloutput
slot 1channeloutput
channel output Zi,m
sendercode
databits
slot 1 slot 0
d1 = -1d0 = 1
1 1 1 1
1- 1- 1- 1-
1 1 1 1
1- 1- 1- 1-
1 1 1 1
1- 1- 1- 1-
1 1 11
1-1- 1- 1-
slot 0channeloutput
slot 1channeloutputreceiver
code
receivedinput
Di = Zi,m.cmm=1
M
M
6: Redes Móveis e sem Fios 6-16
Problema 1
Qual seria o valor de saida do transmissor se o código CDMA fosse (1,-1,1,-1,1-1,1-1)?
6: Redes Móveis e sem Fios 6-17
CDMA: Interferência de duas transmissões
6: Redes Móveis e sem Fios 6-18
Problema 2
Apresente um exemplo de 2 Tx e 2 Rx, apresente um exemplo de código CDMA que não permita aos dois receptores extrair os bits originais dos dois transmissores.
6: Redes Móveis e sem Fios 6-19
Sumário Introdução Ligações sem fios e
características da rede CDMA
Wi-Fi: Redes Locais sem fios 802.11
Arquitectura 802.11 Protocolo de acesso ao
meio 802.11 Quadro IEE 802.11 Mobilidade na mesma sub-
rede IP Funcionalidades avançadas
no 802.11 Para além do 802.11:
Bluetooth e WiMAX
Acesso celular à Internet Visão geral da Arquitectura
Celular Revisão sumária das normas
e tecnologias celulares Principios da Gestão da
Mobilidade Endereçamento Encaminhamento para um
nó móvel IP Móvel Gestão da Mobilidade em
Redes Celulares Encaminhamento de
chamadas para um utilizador móvel
Handoffs no GSM Redes sem fios e Mobilidade:
impacto nas camadas superiores
Sumário
6: Redes Móveis e sem Fios 6-20
Redes Locais sem fios IEEE 802.11
802.11b 2.4-5 GHz espectro sem
licença Até 11 Mbps direct sequence spread
spectrum (DSSS) na camada física
• Todos os hosts usam o mesmo código de “chipping”
802.11a Gama 5-6 GHz Até 54 Mbps
802.11g Gama 2.4-5 GHz Até 54 Mbps
802.11n: antenas múltiplas Gama 2.4-5 GHz Até 200 Mbps
Todas usam CSMA/CA para acesso múltiplo Todas têm versões com estação de base e para
redes ad-hoc
6: Redes Móveis e sem Fios 6-21
Arquitectura da LAN 802.11
Cada host sem fios comunica com uma estação de base Estação de Base =
Ponto de Acesso (AP) Cojunto básico de serviço
(BSS) (aka “cell”) no modo infra-estrtutura contém: Hosts sem fios Pontos de Acesso (AP):
Estações de Base
BSS 1
BSS 2
Internet
hub, switchor routerAP
AP
6: Redes Móveis e sem Fios 6-22
Arquitectura da LAN 802.11
Cojunto básico de serviço (BSS) em modo Ad hoc contém: Hosts sem fios
BSS
6: Redes Móveis e sem Fios 6-23
802.11: Canais e Associação
802.11b: gama do espectro 2.4GHz-2.485GHz dividido em 11 canais com diferentes frequências AP admin escolhe a frequência para o AP Possível interferência: escolha do mesmo canal que
um AP vizinho !
host: deve associar-se a um AP Varre os canais, ouvindo os quadros de orientação
(beacon frames) contendo o nome do AP (SSID) e endereços MAC
Selecciona um AP para se associar Pode autenticar-se (ver Capítulo 8) Tipicamente corre o DHCP para obter um endereço
IP na subrede do AP
6: Redes Móveis e sem Fios 6-24
Problema 3
Suponha que há dois ISPs disponibilizando acesso WiFi num café, cada um dos quais a operar o seu AP e tendo o seu próprio bloco de endereços IP Suponha adicionalmente que cada ISP configurou o
seu AP para funcionar no canal 11. Será que o protocolo 802.11 deixa de funcionar nesta situação? O que acontece se 2 estações cada uma de um ISP tentam transmitir ao mesmo tempo.
Responda às mesmas questão se um AP funcionar no canal 1 e outro no canal 11. As suas respostas mudam?
6: Redes Móveis e sem Fios 6-25
802.11: Varrimento Activo/Passivo
AP 2AP 1
H1
BBS 2BBS 1
122
3 4
Varrimento Activo(1) Pedido de prova enviada de
H1 (2) Resposta de prova enviada dos
APs (3) Quadro de pedido de
associação enviada pelo H1 para o AP seleccionado
(4) Quadro de resposta de associação enviada para o H1 pelo AP seleccionado
AP 2AP 1
H1
BBS 2BBS 1
1
23
1
Varrimento Passivo: (1) beacon frames enviadas dos APs(2) Quadro de pedido de associação
enviada pelo H1 para o AP seleccionado
(3) Quadro de resposta de associação enviada para o H1 pelo AP seleccionado
6: Redes Móveis e sem Fios 6-26
Acesso mútiplo no IEEE 802.11 Evitar colisões: 2+ nós a transmitir
simultaneamente. 802.11: CSMA – Ouvir antes de transmitir
Não colidir com uma transmissão de outro nó em curso
802.11: Não há detecção de colisão ! É dificil receber (ouvir colisões) quando se transmito
devido à fraqueza do sinal recebido (desvanescimento, fading)
Em qualquer caso não se consegue ouvir as colisões em todas situações: terminal escondido, fading
Objectivo: Evitar colisões: CSMA/C(ollision)A(voidance)
AB
CA B C
Força do sinal A
space
Força do sinal C
6: Redes Móveis e sem Fios 6-27
Protocolo de Controlo de Acesso ao Meio (MAC) do IEEE 802.11 : CSMA/CATransmissor 802.111 Se se apercebe do canal inactivo durante o
tempo DIFS então Transmite o quadro completo (sem CD)
2 Se o canal estiver ocupado então arranca um tempo aleatório de backoffO temporizador faz uma contagem
decrescente à espera do canal inactivoTransmite quando o tempo termina Se não tiver confirmação (ACK), aumenta o
intervalo aleatório do tempo de backboff, e repete o passo 2
Receptor 802.11- Se o quadro recebido estiver OK devolve o ACK após o tempo SIFS (ACK é
necessário por causa do problema do terminal escondido)
sender receiver
DIFS
data
SIFS
ACK
Tempo
6: Redes Móveis e sem Fios 6-28
CSMA/CD versus CSMA/CA
CSMA/CD (Ethernet) Transmite mal se aperceba que o canal está
livre CSMA/CA
Apercebe-se que o canal está livre mas refreia a sua vontade de transmitir e conta a partir dum valor aleatório de forma decrescente até zero antes de transmitir
Porquê a Diferença?
6: Redes Móveis e sem Fios 6-29
Problema 4
No passo 4 do protocolo CSMA/CA, uma estação que transmite com sucesso um quadro começa no passo 2 e não no passo 1. Que raciocínio fizeram os engenheiros do 802.11 para não permitir essa estação enviar imediatamente o quadro seguinte (se detectar o canal livre)?
6: Redes Móveis e sem Fios 6-30
CSMA/CD versus CSMA/CA
Ethernet Começam logo a
transmitir e dá colisão Não é grave Há mecanismos de
detecção de colisão
Wireless Esperam um tempo
de contagem random Uma delas ganha e
começa a transmitir A outra ouve a
vencedora e deixa de contar à espera do canal livre
Uma terceira estação está a transmitir; estão 2 à espera.
Pode ocorrer na mesma se as 2 estações estiverem escondidas uma da outraEscolhem tempos muito próximos
6: Redes Móveis e sem Fios 6-31
Prevenção de Colisão (mais)ideia: permitir ao transmissor reservar o canal em vez
acesso aleatório dos quadros de dados: evitar colisões em quadros de dados longos.
O transmissor primeiro envia pacotes pequenos com pedido de envio (request-to-send ,RTS) para a BS usando o CSMA As RTSs podem também colidir (mas são pequenas)
A estação de base (BS) difunde clear-to-send (CTS) em resposta ao in response to RTS
CTS ouvido por todos nós Transmissor envia o quadro de dados As outras estações atrasam (deferem) as suas
transmissões
Evitar por completo colisões de quadros de dados com recurso a pequenos pacotes de
reserva!
6: Redes Móveis e sem Fios 6-32
Collision Avoidance: RTS-CTS exchange
APA B
time
RTS(A)RTS(B)
RTS(A)
CTS(A) CTS(A)
DATA (A)
ACK(A) ACK(A)
reservation collision
defer
6: Redes Móveis e sem Fios 6-33
Problema 5
Suponha que uma estação 802.11 é configurada para reservar sempre o canak com uma sequência RTS/CTS. Suponha que a estação subitamente transmitir 1000 bytes de dados e todas as outras estações estão em repouso nesse instante. Como função do SIFS e do DIFS e ignorando atrasos de propagação and erros de bits, calcule o tempo necessário para transmitir o quadro e receber a confirmação.
6: Redes Móveis e sem Fios 6-34
Ligações ponto-a-ponto 802.11 802.11 pode ser usado com antenas
direccionais para ligações ponto-a-ponto de dezenas de Km Hardware de baixo custo Antenas direccionais Potência reforçada
Exemplo na Índia [Raman 2007]
6: Redes Móveis e sem Fios 6-35
framecontrol
durationaddress
1address
2address
4address
3payload CRC
2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4
seqcontrol
Quadro 802.11 : Payload e CRC
Payload – Datagrama IP ou pacote ARP Embora possa ir até 2,312 bytes normalmente é
inferior a 1500 bytes CRC (Cyclic Redundancy Checking)
Permite ao receptor detectar erros no quadro recebido É bastante útil porque aqui há erros mesmo !
6: Redes Móveis e sem Fios 6-36
framecontrol
durationaddress
1address
2address
4address
3payload CRC
2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4
seqcontrol
Quadro 802.11 : endereçamento
Endereço 2: endereço MAC do host sem fios ouAP que transmite o quadro
Endereço 1: endereço MAC do host sem fios ouAP destinatário do quadro
Endereço 3: endereço MAC da interface do router a que o AP está ligado
Endereço 4: usado apenas no modo ad hpc
6: Redes Móveis e sem Fios 6-37
Internetrouter
AP
H1 R1
AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr
address 1 address 2 address 3
802.11 frame
R1 MAC addr H1 MAC addr
dest. address source address
802.3 frame
Quadro 802.11: endereçamento
6: Redes Móveis e sem Fios 6-38
framecontrol
durationaddress
1address
2address
4address
3payload CRC
2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4
seqcontrol
TypeFromAP
SubtypeToAP
More frag
WEPMoredata
Powermgt
Retry RsvdProtocolversion
2 2 4 1 1 1 1 1 11 1
Quadro 802.11 : Outros campos
duration of reserved transmission time (RTS/CTS)
frame seq #(for reliable ARQ)
frame type(RTS, CTS, ACK, data)
6: Redes Móveis e sem Fios 6-39
hub or switch
AP 2
AP 1
H1 BBS 2
BBS 1
802.11: Mobilidade na mesma subrede
router H1 permanece na
mesma sub-rede: o endereço IP pode ser o mesmo
Switch: a que AP está associado H1? Auto-aprendizagem
(Cap.5, Kurose): o switch vai ver o quadro proveniente de H1 e recordar que porta do switch pode ser usada para chegar a H1
6: Redes Móveis e sem Fios 6-40
802.11: Funcionalidades avançadasAdaptação da taxa de
transmissão A estação de base e
o host móvel, mudam dinamicamente a sua taxa de transmissão (técnica de modulação da camada física) conforme o host se move, o SNR varia
QAM256 (8 Mbps)QAM16 (4 Mbps)
BPSK (1 Mbps)
10 20 30 40SNR(dB)
BE
R
10-1
10-2
10-3
10-5
10-6
10-7
10-4
operating point
1. A SNR diminui, a BER aumenta conforme o nó se afasta da estação de base2. Quando a BER se torna muito grande mude-se para uma taxa transmissão mais baixa mas com BER mais pequena.
6: Redes Móveis e sem Fios 6-41
802.11: Funcionalidades avançadasGestão da Energia node-to-AP: “Vou adormecer até o próximo
quadro beacon” O AP sabe que não transmite quadros para o nó O nó acorda antes dó próximo quadro beacon
Quadro beacon: contém a lista dos dos nós móveis com quadros em espera no AP O nó acorda se há quadros em espera, caso
contrário adormece até ao próximo quadro beacon
6: Redes Móveis e sem Fios 6-42
Próxima aula Introdução Ligações sem fios e
características da rede CDMA
Wi-Fi: Redes Locais sem fios 802.11
Arquitectura 802.11 Protocolo de acesso ao
meio 802.11 Quadro IEE 802.11 Mobilidade na mesma sub-
rede IP Funcionalidades avançadas
no 802.11 Para além do 802.11:
Bluetooth e WiMAX
Acesso celular à Internet Visão geral da Arquitectura
Celular Revisão sumária das normas
e tecnologias celulares Principios da Gestão da
Mobilidade Endereçamento Encaminhamento para um
nó móvel IP Móvel Gestão da Mobilidade em
Redes Celulares Encaminhamento de
chamadas para um utilizador móvel
Handoffs no GSM Redes sem fios e Mobilidade:
impacto nas camadas superiores
Sumário
6: Redes Móveis e sem Fios 6-43
Mradius ofcoverage
S
SS
P
P
P
P
M
S
Master device
Slave device
Parked device (inactive)P
802.15: personal area network
less than 10 m diameter replacement for cables
(mouse, keyboard, headphones)
ad hoc: no infrastructure master/slaves:
slaves request permission to send (to master)
master grants requests
802.15: evolved from Bluetooth specification 2.4-2.5 GHz radio band up to 721 kbps
6: Redes Móveis e sem Fios 6-44
802.16: WiMAX like 802.11 & cellular:
base station model transmissions to/from
base station by hosts with omnidirectional antenna
base station-to-base station backhaul with point-to-point antenna
unlike 802.11: range ~ 6 miles (“city
rather than coffee shop”)
~14 Mbps
point-to-multipoint
point-to-point
6: Redes Móveis e sem Fios 6-45
802.16: WiMAX: downlink, uplink scheduling transmission frame
down-link subframe: base station to node uplink subframe: node to base station
pre
am
.
DL-MAP
UL-MAP
DLburst 1
SS #1DL
burst 2DL
burst nInitialmaint.
requestconn.
downlink subframe
SS #2 SS #k
uplink subframe
…
…
…
…
base station tells nodes who will get to receive (DL map) and who will get to send (UL map), and when
WiMAX standard provide mechanism for scheduling, but not scheduling algorithm
6: Redes Móveis e sem Fios 6-46
Chapter 6 outline
6.1 Introduction
Wireless 6.2 Wireless links,
characteristics CDMA
6.3 IEEE 802.11 wireless LANs (“wi-fi”)
6.4 Cellular Internet Access architecture standards (e.g., GSM)
Mobility 6.5 Principles:
addressing and routing to mobile users
6.6 Mobile IP 6.7 Handling mobility
in cellular networks 6.8 Mobility and
higher-layer protocols
6.9 Summary
6: Redes Móveis e sem Fios 6-47
Mobile Switching
Center
Public telephonenetwork, andInternet
Mobile Switching
Center
Components of cellular network architecture
connects cells to wide area net manages call setup (more later!) handles mobility (more later!)
MSC
covers geographical region base station (BS) analogous to 802.11 AP mobile users attach to network through BS air-interface: physical and link layer protocol between mobile and BS
cell
wired network
6: Redes Móveis e sem Fios 6-48
Cellular networks: the first hopTwo techniques for sharing
mobile-to-BS radio spectrum
combined FDMA/TDMA: divide spectrum in frequency channels, divide each channel into time slots
CDMA: code division multiple access
frequencybands
time slots
6: Redes Móveis e sem Fios 6-49
Cellular standards: brief survey2G systems: voice channels IS-136 TDMA: combined FDMA/TDMA (north
america) GSM (global system for mobile
communications): combined FDMA/TDMA most widely deployed
IS-95 CDMA: code division multiple access
IS-136 GSM IS-95GPRS EDGECDMA-2000
UMTS
TDMA/FDMADon’t drown in a bowlof alphabet soup: use thisfor reference only
6: Redes Móveis e sem Fios 6-50
Cellular standards: brief survey2.5 G systems: voice and data channels for those who can’t wait for 3G service: 2G
extensions general packet radio service (GPRS)
evolved from GSM data sent on multiple channels (if available)
enhanced data rates for global evolution (EDGE) also evolved from GSM, using enhanced modulation data rates up to 384K
CDMA-2000 (phase 1) data rates up to 144K evolved from IS-95
6: Redes Móveis e sem Fios 6-51
Cellular standards: brief survey3G systems: voice/data Universal Mobile Telecommunications Service
(UMTS) data service: High Speed Uplink/Downlink packet
Access (HSDPA/HSUPA): 3 Mbps CDMA-2000: CDMA in TDMA slots
data service: 1xEvlution Data Optimized (1xEVDO) up to 14 Mbps
….. more (and more interesting) cellular topics due to mobility (stay tuned for details)
6: Redes Móveis e sem Fios 6-52
Chapter 6 outline
6.1 Introduction
Wireless 6.2 Wireless links,
characteristics CDMA
6.3 IEEE 802.11 wireless LANs (“wi-fi”)
6.4 Cellular Internet Access architecture standards (e.g., GSM)
Mobility 6.5 Principles:
addressing and routing to mobile users
6.6 Mobile IP 6.7 Handling mobility
in cellular networks 6.8 Mobility and
higher-layer protocols
6.9 Summary
6: Redes Móveis e sem Fios 6-53
What is mobility?
spectrum of mobility, from the network perspective:
no mobility high mobility
mobile wireless user, using same access point
mobile user, passing through multiple access point while maintaining ongoing connections (like cell phone)
mobile user, connecting/ disconnecting from network using DHCP.
6: Redes Móveis e sem Fios 6-54
Mobility: Vocabularyhome network: permanent “home” of mobile(e.g., 128.119.40/24)
Permanent address: address in home network, can always be used to reach mobilee.g., 128.119.40.186
home agent: entity that will perform mobility functions on behalf of mobile, when mobile is remote
wide area network
correspondent
6: Redes Móveis e sem Fios 6-55
Mobility: more vocabulary
Care-of-address: address in visited network.(e.g., 79,129.13.2)
wide area network
visited network: network in which mobile currently resides (e.g., 79.129.13/24)
Permanent address: remains constant (e.g., 128.119.40.186)
foreign agent: entity in visited network that performs mobility functions on behalf of mobile.
correspondent: wants to communicate with mobile
6: Redes Móveis e sem Fios 6-56
How do you contact a mobile friend:
search all phone books?
call her parents? expect her to let you
know where he/she is?
I wonder where Alice moved to?
Consider friend frequently changing addresses, how do you find her?
6: Redes Móveis e sem Fios 6-57
Mobility: approaches
Let routing handle it: routers advertise permanent address of mobile-nodes-in-residence via usual routing table exchange. routing tables indicate where each mobile
located no changes to end-systems
Let end-systems handle it: indirect routing: communication from
correspondent to mobile goes through home agent, then forwarded to remote
direct routing: correspondent gets foreign address of mobile, sends directly to mobile
6: Redes Móveis e sem Fios 6-58
Mobility: approaches
Let routing handle it: routers advertise permanent address of mobile-nodes-in-residence via usual routing table exchange. routing tables indicate where each mobile
located no changes to end-systems
let end-systems handle it: indirect routing: communication from
correspondent to mobile goes through home agent, then forwarded to remote
direct routing: correspondent gets foreign address of mobile, sends directly to mobile
not scalable
to millions of mobiles
6: Redes Móveis e sem Fios 6-59
Mobility: registration
End result: Foreign agent knows about mobile Home agent knows location of mobile
wide area network
home network
visited network
1
mobile contacts foreign agent on entering visited network
2
foreign agent contacts home agent home: “this mobile is resident in my network”
6: Redes Móveis e sem Fios 6-60
Mobility via Indirect Routing
wide area network
homenetwork
visitednetwork
3
2
41
correspondent addresses packets using home address of mobile
home agent intercepts packets, forwards to foreign agent
foreign agent receives packets, forwards to mobile
mobile replies directly to correspondent
6: Redes Móveis e sem Fios 6-61
Indirect Routing: comments Mobile uses two addresses:
permanent address: used by correspondent (hence mobile location is transparent to correspondent)
care-of-address: used by home agent to forward datagrams to mobile
foreign agent functions may be done by mobile itself triangle routing: correspondent-home-network-
mobile inefficient when correspondent, mobile are in same network
6: Redes Móveis e sem Fios 6-62
Indirect Routing: moving between networks suppose mobile user moves to another
network registers with new foreign agent new foreign agent registers with home agent home agent update care-of-address for mobile packets continue to be forwarded to mobile
(but with new care-of-address) mobility, changing foreign networks
transparent: on going connections can be maintained!
6: Redes Móveis e sem Fios 6-63
Mobility via Direct Routing
wide area network
homenetwork
visitednetwork
4
2
41correspondent requests, receives foreign address of mobile
correspondent forwards to foreign agent
foreign agent receives packets, forwards to mobile
mobile replies directly to correspondent
3
6: Redes Móveis e sem Fios 6-64
Mobility via Direct Routing: comments
overcome triangle routing problem non-transparent to correspondent:
correspondent must get care-of-address from home agent what if mobile changes visited network?
6: Redes Móveis e sem Fios 6-65
wide area network
1
foreign net visited at session start
anchorforeignagent
2
4
new foreignagent
35
correspondentagent
correspondent
new foreignnetwork
Accommodating mobility with direct routing
anchor foreign agent: FA in first visited network data always routed first to anchor FA when mobile moves: new FA arranges to have
data forwarded from old FA (chaining)
6: Redes Móveis e sem Fios 6-66
Chapter 6 outline
6.1 Introduction
Wireless 6.2 Wireless links,
characteristics CDMA
6.3 IEEE 802.11 wireless LANs (“wi-fi”)
6.4 Cellular Internet Access architecture standards (e.g., GSM)
Mobility 6.5 Principles:
addressing and routing to mobile users
6.6 Mobile IP 6.7 Handling mobility
in cellular networks 6.8 Mobility and
higher-layer protocols
6.9 Summary
6: Redes Móveis e sem Fios 6-67
Mobile IP
RFC 3344 has many features we’ve seen:
home agents, foreign agents, foreign-agent registration, care-of-addresses, encapsulation (packet-within-a-packet)
three components to standard: indirect routing of datagrams agent discovery registration with home agent
6: Redes Móveis e sem Fios 6-68
Mobile IP: indirect routing
Permanent address: 128.119.40.186
Care-of address: 79.129.13.2
dest: 128.119.40.186
packet sent by correspondent
dest: 79.129.13.2 dest: 128.119.40.186
packet sent by home agent to foreign agent: a packet within a packet
dest: 128.119.40.186
foreign-agent-to-mobile packet
6: Redes Móveis e sem Fios 6-69
Mobile IP: agent discovery agent advertisement: foreign/home agents
advertise service by broadcasting ICMP messages (typefield = 9)
RBHFMGV bits reserved
type = 16
type = 9 code = 0 = 9
checksum = 9
router address
standard ICMP fields
mobility agent advertisement
extension
length sequence #
registration lifetime
0 or more care-of-addresses
0 8 16 24
R bit: registration required
H,F bits: home and/or foreign agent
6: Redes Móveis e sem Fios 6-70
Mobile IP: registration example
visited network: 79.129.13/ 24 home agent
HA: 128.119.40.7 f oreign agent
COA: 79.129.13.2 COA: 79.129.13.2
….
I CMP agent adv. Mobile agent MA: 128.119.40.186
registration req.
COA: 79.129.13.2 HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 9999 identification:714 ….
registration req.
COA: 79.129.13.2 HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 9999 identification: 714 encapsulation format ….
registration reply
HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 4999 Identification: 714 encapsulation format ….
registration reply
HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 4999 Identification: 714 ….
time
6: Redes Móveis e sem Fios 6-71
Components of cellular network architecture
correspondent
MSC
MSC
MSC MSC
MSC
wired public telephonenetwork
different cellular networks,operated by different providers
recall:
6: Redes Móveis e sem Fios 6-72
Handling mobility in cellular networks
home network: network of cellular provider you subscribe to (e.g., Sprint PCS, Verizon) home location register (HLR): database in
home network containing permanent cell phone #, profile information (services, preferences, billing), information about current location (could be in another network)
visited network: network in which mobile currently resides visitor location register (VLR): database with
entry for each user currently in network could be home network
6: Redes Móveis e sem Fios 6-73
Public switched telephonenetwork
mobileuser
homeMobile
Switching Center
HLR home network
visitednetwork
correspondent
Mobile Switching
Center
VLR
GSM: indirect routing to mobile
1 call routed to home network
2
home MSC consults HLR,gets roaming number ofmobile in visited network
3
home MSC sets up 2nd leg of callto MSC in visited network
4
MSC in visited network completescall through base station to mobile
6: Redes Móveis e sem Fios 6-74
Mobile Switching
Center
VLR
old BSSnew BSS
old routing
newrouting
GSM: handoff with common MSC
Handoff goal: route call via new base station (without interruption)
reasons for handoff: stronger signal to/from new
BSS (continuing connectivity, less battery drain)
load balance: free up channel in current BSS
GSM doesn’t mandate why to perform handoff (policy), only how (mechanism)
handoff initiated by old BSS
6: Redes Móveis e sem Fios 6-75
Mobile Switching
Center
VLR
old BSS
1
3
24
5 6
78
GSM: handoff with common MSC
new BSS
1. old BSS informs MSC of impending handoff, provides list of 1+ new BSSs
2. MSC sets up path (allocates resources) to new BSS
3. new BSS allocates radio channel for use by mobile
4. new BSS signals MSC, old BSS: ready
5. old BSS tells mobile: perform handoff to new BSS
6. mobile, new BSS signal to activate new channel
7. mobile signals via new BSS to MSC: handoff complete. MSC reroutes call
8 MSC-old-BSS resources released
6: Redes Móveis e sem Fios 6-76
home network
Home MSC
PSTN
correspondent
MSC
anchor MSC
MSCMSC
(a) before handoff
GSM: handoff between MSCs
anchor MSC: first MSC visited during cal call remains routed
through anchor MSC
new MSCs add on to end of MSC chain as mobile moves to new MSC
IS-41 allows optional path minimization step to shorten multi-MSC chain
6: Redes Móveis e sem Fios 6-77
home network
Home MSC
PSTN
correspondent
MSC
anchor MSC
MSCMSC
(b) after handoff
GSM: handoff between MSCs
anchor MSC: first MSC visited during cal call remains routed
through anchor MSC
new MSCs add on to end of MSC chain as mobile moves to new MSC
IS-41 allows optional path minimization step to shorten multi-MSC chain
6: Redes Móveis e sem Fios 6-78
Mobility: GSM versus Mobile IP
GSM element Comment on GSM element Mobile IP element
Home system Network to which mobile user’s permanent phone number belongs
Home network
Gateway Mobile Switching Center, or “home MSC”. Home Location Register (HLR)
Home MSC: point of contact to obtain routable address of mobile user. HLR: database in home system containing permanent phone number, profile information, current location of mobile user, subscription information
Home agent
Visited System Network other than home system where mobile user is currently residing
Visited network
Visited Mobile services Switching Center.Visitor Location Record (VLR)
Visited MSC: responsible for setting up calls to/from mobile nodes in cells associated with MSC. VLR: temporary database entry in visited system, containing subscription information for each visiting mobile user
Foreign agent
Mobile Station Roaming Number (MSRN), or “roaming number”
Routable address for telephone call segment between home MSC and visited MSC, visible to neither the mobile nor the correspondent.
Care-of-address
6: Redes Móveis e sem Fios 6-79
Wireless, mobility: impact on higher layer protocols
logically, impact should be minimal … best effort service model remains unchanged TCP and UDP can (and do) run over wireless,
mobile … but performance-wise:
packet loss/delay due to bit-errors (discarded packets, delays for link-layer retransmissions), and handoff
TCP interprets loss as congestion, will decrease congestion window un-necessarily
delay impairments for real-time traffic limited bandwidth of wireless links
6: Redes Móveis e sem Fios 6-80
Chapter 6 Summary
Wireless wireless links:
capacity, distance channel impairments CDMA
IEEE 802.11 (“wi-fi”) CSMA/CA reflects
wireless channel characteristics
cellular access architecture standards (e.g., GSM,
CDMA-2000, UMTS)
Mobility principles: addressing,
routing to mobile users home, visited networks direct, indirect routing care-of-addresses
case studies mobile IP mobility in GSM
impact on higher-layer protocols
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