Adatátviteli rendszerek Mobil távközlő hálózatok rendszertechnikája Dr. habil Wührl Tibor Óbudai Egyetem, KVK Híradástechnika Intézet

Mobil hálózatok fejlődés története (csak digitális, fontosabb mérföldkövek) EU – GSM (Group Spécial Mobile) -> Global System for Mobile; 1980-as évek közepe. ETSI – TDMA alapú hozzáférés (USA CDMA); 2G (+SMS bővítés; adatátvitel CSD 9600bps); 2,5G GPRS majd EDGE (2,75G); 1990-es évek második fele. UTRA (Universal Terrestrial Radio Access) 3GPP (1998-tól 3rd Generation Partnership Project) 3G - WCDMA (Wideband Code Division Multliple Access)

Mobil hálózatok fejlődés története (csak digitális, fontosabb mérföldkövek) LTE – Long Term Evolution (3G -> 4G) Rel8 (2008 dec.) FDD - TDD Rel9 (2009 dec.) Rel10 (2011 vége) Carrier aggregation; Enhanced downlink MIMO; Uplink MIMO. Rel11 (2013) Enhanced carrier aggregation. IoT hatása -> Narrow Band IoT.

Mitől lesz 5G? 4G hálózat jó alapokat ad a továbbfejlesztéshez (LTE elvek – Multivivős, aggregált adatforgalmak); Hálózathoz „megváltozott szokású” eszközök kapcsolódnak, vagy szeretnének kapcsolódni; Transfer delay, jitter, csomagméret; Átviteli sebesség „éhség” megmaradt, sőt fokozódik (multimédiás tartalmak, HD 4k…).

Mitől lesz 5G? 5G elvárások „igényspecifikáció” Alacsony késleltetési idő (transfer delay), maximum néhány ms ! Alacsony késleltetési idő ingadozás. Magas adatátviteli sebességek; „IoT” típusú eszközök hatékony kiszolgálása. Késleltetéssel kapcsolatos elvárások csak akkor valósulhatnak meg, ha a hálózati órajel szinkron nagyon precíz. Hozzáférési hálózat (RAN) kutatások szükségesek.

Általános mobil hálózati struktúra Core network BSS (Base Station System) MS – Mobile Station ME – Mobile Equipment UE – User Equipment

GSM - 2G Base Station Subsystem Base Transceiver Station Base Station Controller Mobile Switching Centre Network Switching Subsystem Visitor Location Register Home Location Register Gateway-MSC AuC- Autebtication Centre EIR – Equipment Identity Reg. Operation and Support Subsystem

GSM protokoll architektúra Connection Management Mobility Radio Resource LAPD Link Access Protocol For the D channel BTSM – BTS Management BSSAP – BSS Application Part

GSM protokoll architektúra – Layer3 CM – Connection Management Hívás control (CC - Call Control); Supplementary Services; SMS. MM – Mobility Management Regisztráció; Autentikáció; Identifikáció; Location Update Provision (IMSI csaere TIMSI-re, ami a Location Area-ban azonosít). RR – Radio Resource Üzenetek igazítása a csatornákhoz; Control és Traffic csatornák felépítése, fenntartása.

GSM protokoll architektúra – Layer2 LAPDm – LAPD „mobile like” Framing; Addressing; Error correction. Az ISDN-ből átvett LAPD, azzal a különbséggel, hogy itt nincs az üzenetek előtt és mögött 01111110 flag.

GSM protokoll architektúra – Layer1 Um Chipering (titkosítás); TA – Timing Advance; Tx power szabályozás; Csatorna kódolás; Moduláció –demoduláció (logikai CH-k leképezése a fizikai CH-ba).

GSM protokoll architektúra – Layer1 Timing Advance A Base Station és az MS közti rádiós jel terjedési idő távolság függő. TDMA miatt az egyes MS-ek osztoznak az IR-ek között (GSM-nél 8 IR áll rendelkezésre egy vivőn). Az egyes MS-ek más-más távolságban lehetnek a ugyanazon BS-től és esetleg szomszédos IR-ek jutnak nekik. Időrések közti áthallás veszély!

GSM – TDM hozzáférés (Um)

GSM – TDM hozzáférés (Um) TA – Timing Advance 3GPP a TS05.10 és TS45.010-ban írja le a TA procedúrát. (ETSI TS 100 912 és TS 145 010) A TA változó értéke a BS-ben határozódik meg. A TA 6 bites bináris szám (0…63 között vehet fel decimálisan értéket). 550m távolságonként ugrik 1-et a TA értéke, így a max távolság (BS-MS) 35km. Enhanced range feature kb 110km-ig kiterjesztést jelent. (óceáni szigetek miatt) {Egy adott cellán belül található mobil pontosabb helymeghatározására van lehetőség a TA segítségével.}

GSM – TDM hozzáférés (Um) TA – Timing Advance Az MS a BTS-től fogadja a TA aktuális értékét a SACCH csatornában (Slow Associated Control Channel). Minden negyedik 26 keretből álló MultiFrame-ben 1db SACCH van (480ms időközt jelent, mert 26 keretes MF ideje 120ms) Csoporthívás esetén a TA érték kizárólag az Upplink irányt használó terminálnak szól!

GSM – TDM hozzáférés (Um) DL-SACCH TX power level; TA paraméter. UL-SACCH Received Signal Strength; TCH quality; Handover döntés (szomszédos cellák jelerőssége alapján).

GSM – TDM hozzáférés (Um) SDCCH – Standalone Dedicated Control Channel A GSM-BTS jelzésüzenetek tobábbítására szolgál, az MS által küldött RACH (Random Access Channel a call setup time alatt) a BTS AGCH (Access Grant Channel) válaszával épül fel. Az SDCCH rövid életű „short lived”.

témaváltás

Órajel szinkron PCM (PDH) rendszereknél az órajel szinkron (bitszinkron) alap az E1 interfész (2 Mbit/s). Eltérő órajelű primer PCM csatornák multiplexálása bit beszúrással történik.

Órajel szinkron SDH rendszereknél a payload méret lehetőség nagyobb, mint az átvinni kívánt payload méret, így az „belelötyög” az SDH konténerbe. A tényleges helyet a pointer mutatja.

Órajel szinkron Csomagkapcsolt rendszereknél más a helyzet, mert teljes keret tárolódik a kapcsolókban, ez viszont nagy késleltetést (transfer delay-t) jelent.

IEEE1588v2 PTP PTP (Precision Time Protocol) első kiadás: 2002 revízió: 2008. Master-Slave architektúra Root Timing Reference = „Grandmaster”

IEEE1588v2 PTP Működés alapgondolata: A szinkronizáló üzenetekben található időbélyegek (Time stamp) alapján az egyes eszközben eltöltött idő korrigálható. A szinkronizáláshoz a UNIX idő használt (1970 január 1. éjféltől számított). TAI (International Atomic Time); UTC (Coordinated Universal Time)

IEEE1588v2 PTP protokoll elemei Sync, Follow-up, Delay-Req, Delay-Resp üzenetekkel történik a szinkronizálás. Pdealy-Req, Pdelay-Resp, Pdelay-Resp-Follow-Up a transzparens óra használja a kommunikációs médiumok késleltetésének lemérésében. Announce üzenetek Órajel hierarchia felépítés és a „grandmaster” kiválasztás. Management üzenetek – monitorozás és konfig. Signaling üzenetek – nem időkritikus kommunikciók.

IEEE1588 üzenetek átvitele „V1” üzenetek (2002-es verzió) – multicast; „V2” üzenetek (2008-as verzió) – unicast port by port. A PTP üzenetek UDP szegmensben, IP csomagban utaznak. V1 esetén IPv4, V2 esetén IPv6 is definiált.

IEEE1588 üzenetek átvitele IPv4 IPv6 MAC Minden üzenet kivéve a „peer delay” típusú: 224.0.1.129 FF0X::18 01-1B-19-00-00-00 „peer delay” üzenetek: 224.0.0.107 FF02::6B 01-80-C2-00-00-0E UDP port címek: 319 és 320; Ether Type: 0x88F7

IEEE1588 BMC (Best Master Clock) BMC alapfogalmak Prioritás: Statikusan tervezett, előzetesen definiált (alacsonyabb prioritás számérték magasabb prioritást jelent); Class: Minden óra tagja egy adott osztálynak a saját prioritásával; Accuracy (pontosság): A clock és az UTC közötti eltérés; Variance: órajel ingadozás;

IEEE1588 BMC (Best Master Clock) BMC alapfogalmak Prioritás2: véglegesen definiált prioritás; Unique ID (egyedi azonosító): Azonosítás a MAC cím alapján történik. Minden más tulajdonság egyezés esetén „holtversenyben” (tiebreaker) a MAC cím a döntő!

IEEE1588 BMC (Best Master Clock) A „clock properties” az IEEE1588-2002-nél a „SYNC” üzenettel hirdetődik; Az IEEE1588-2008-nál „ANNOUNCE” üzenettel. Miután az aktuális MASTER felismeri a nála jobb minőségű óra jelenlétét megállítja a SYNC/ANNOUNCE üzenetek küldését, a tulajdonságainak továbbítását.

IEEE1588 szinkronizáció A BMC algoritmussal kiválasztásra került az IEEE1588 domain-ben a „master source”. Egy adott eszköz ofsetje: (saját maga és a mastere közti különbség) o(t)=s(t)-m(t) „adott időpillanatokban meghatározott idők időfüggvényei” o(t) tehát időben változó!

IEEE1588 szinkronizáció Master periódikusan hirdeti az aktuális időt: IEEE1588-2002 esetén másodpercenként; IEEE1588-2002 esetén max 10X másodpercenként.

IEEE1588 szinkronizáció A SYNC-et követően a MASTER opcionálisan küld egy FOLLOW_UP –ot (multicast), melyben benne van a „t1” időbélyeg. A DELAY_RESP-ben a „t4”. Átviteli idő (transit time): Indirekt módon a round-trip időből. Delay=(t2-t1)+(t4-t3)/2 Offset=t2-t1-Delay A SLAVE-nek az „Offset”-tel kell az Óráját kiigazítani.

IEEE1588 szinkronizáció Feltételezés: Az üzenetváltás ideje olyan kicsi, hogy ez alatt nincs lényegi órajel vándorlás; Mindkét átviteli idő egymással megegyező; Master és slave eszköz is pontos időbélyeget képes generálni.

IEEE1588 szinkronizáció

Köszönöm a figyelmet!