行動裝置網路介紹
崑山科技大學 資訊工程系 林建良 助理教授
大綱
無線網路
行動通訊
異質網路整合
UMA
802.21
有線 無線
固定 固定設備
使用有線網路
固定設備
使用無線網路
行動 行動式設備 使用有線網路
行動式設備
使用無線網路
無線網路
無線網路的關連性
無線個人存取網路技術包括藍芽(IEEE 802.15.1)、
ZigBee(IEEE 802.15.4)和超寬頻(Ultra Wide Band, UWB,IEEE 802.15.3a) 。
IEEE 802.15.1 (Bluetooth)
IEEE 802.15.3 (UWB)
IEEE 802.15.4 (ZigBee)
操作頻帶 2.4 GHz 3~10 GHz 868MHz/915MHz /2.45GHz
傳輸速率 1 Mbps 110/220 Mbps 20/40/250 Kbps
傳輸距離 10公尺 小於10公尺 10~100公尺
應用 語音、數據 語音、數據、
多媒體
監控、環境感測
、家庭自動化
WPAN
802.15 WPAN協定架構圖
WLAN
IEEE 802.11 標準
實體層(Physical) 媒體存取層(MAC)
IEEE 802.11 MAC
802.11e/TG MAC增強
802.11f/TG IAPP(Inter-Access
Point Protocol)
802.11e/TG SubG
QoS
802.11e/TG SubG Security
(轉至802.11i)
802.11d 管理區域
2.4 GHz 跳頻展頻
(FHSS)
2.4 GHz 直序展頻
(DSSS)
5 GHz 正交分頻多工
(OFDM)
802.11 DSSS 1 / 2 Mbps
802.11g 傳輸速率最
大54Mbps
802.11b 傳輸速率最
大11Mbps 紅外線
(IR)
802.11a 傳輸速率最
大54Mbps
802.11h 802.11a &
HiperLAN
WLAN實體層標準
Standard RF Band Speed
802.11 Infrared (IR) or 2.4 GHz
1 or 2 Mbps 802.11a 5 GHz 54 Mbps
802.11b 2.4 GHz 11 Mbps 802.11g 2.4 GHz 54 Mbps 802.11n 5 GHz 100 Mbps
WMAN
IEEE 802.16 工作小組
IEEE 802.16 空中介面 10-66 GHz
IEEE 802.16a 有執照頻帶
2-11 GHz
IEEE 802.16b 免執照頻帶
*於2005年9月製定完成
IEEE 802.16e 802.16a 之加強 移動性2-6 GHz*
WMAN(續)
802.16 802.16a* 802.16e
完成時間 2001年12月 2003年1月 2005年
頻帶 10 ~ 66 GHz < 11 GHz < 6 GHz
通道條件 只有視線傳輸 非視線傳輸 非視線傳輸
傳輸速率 在28 MHz通道之頻 寬內為32~134 Mbps
在20 MHz通道之頻寬內最 大為75 Mbps
在5 MHz通道之頻 寬內最大為15 Mbps 調變 QPSK、16QAM 和
64QAM
OFDM 256個子載波
QPSK、16QAM和64QAM
和802.16a相同
移動性 固接式 固接式,可攜式 行動通訊
通道頻寬 20、25 和 28 MHz 1.5 到 20 MHz 上傳子頻道和 802.16a相同
細胞半徑 2~5 公里 7~10公里,最大可達50公
里
2~5 公里
WWAN
2G Technology Data Capability Spectrum Required Type
GSM IS-136 iDEN
CDMA(IS-95A/J-STD-008)
9.6 or 14.4kbps 9.6 kbps
9.6 kbps
9.6 kbps/14.4kbps,64 kbps
200 kHz 30 kHz 25kHz 1.25 MHz
Circuit-switched data Circuit-switched data Circuit-switched data Circuit-switched data
2G Technology Data Capability Spectrum Required Type
HSCDS GPRS Edge
CDMA2000-1XRTT
28.8/56 kbps 128 kbps 384 kbps 153 kbps
200 kHz 200 kHz 200 kHz 1.25 MHz
Circuit/Packet data Circuit/Packet data Circuit/Packet data Circuit/Packet data
3G Technology Data Capability Spectrum Required Type
WCDMA
CDMA2000-DO/EV
TD-CDMA (Ultra TDD)
TD-SCDMA
144 kbps vehicular 384 kbps outdoors 2 Mbps indoors 144 kbps vehicular 384 kbps outdoors 2 Mbps indoors 144 kbps vehicular 384 kbps outdoors 2 Mbps indoors 144 kbps vehicular 384 kbps outdoors 2 Mbps indoors
5 MHz
1.25 MHz
5 MHz
1.6 MHz
Packet data
Packet data
Packet data
Packet data
WWAN(續)
ME HLR
SIM
ME
SIM
基地接接 收發射台
基地接接 收發射台
基地台控 制器
基地台控 制器
VLR AuC EIR
操作與維護中心
數據通訊網路
PSTN
行動台
行動台
基地台子系統
網路子系統
AuC 認證中心 EIR 設備識別註冊 HLR 總部位置註冊 ME 行動設備
PSTN 公用交換電信網路 SIM 用戶識別模組 VLR 訪客位置註冊
行動通訊
Handover的形式
Horizontal handover
Roaming within homogeneous technologies over the same access network
Vertical handover
Roaming across heterogeneous technologies over different access networks
Hard handover (break-before-make)
Break the original connection before setting up the new one
Soft handover (make-before-break)
Make the new connection before breaking the old one
Mobile IP的設計
Mobile IP是一個IETF開放標準(RFC-3344)
提供使用者在漫遊不同的IP網路時維持同樣的IP 位址,以便持續的使用各種應用程式不中斷。
只要可以使用在IP上的應用程式即可對應到 Mobile IP上。
Mobile IP 是在網路層(IP)運作
提供不能中斷傳輸的網路應用下可以運作,而且 某些網路的軟體授權及存取的權限是跟IP綁在一 起,IP的變動會影響該網路服務。
Mobile IPv4(MIP)架構
Foreign Agent (FA)
Home Agent (HA)
Corresponded Node (CN)
Mobile Node (MN) Binding Update
Data Transmission
Home Network Foreign Network
Mobile Node (MN)
具備IP行動能力的網際網路節點,該節點無論移 動到網際網路的任何地方都可透過原位址(Home Address)與其他網路節點通訊。
Correspondent Node (CN)
與MN進行通訊的任何一個網際網路節點。
Home Agent (HA)
位於MN原網路的路由器,負責記錄MN Home Address與目前位置資訊的對應,並協助轉送MN 封包之代理人。
Mobile IPv4(MIP)架構(續)
Care-of-address (CoA)
MN漫遊到其他網路之暫時網路位址。
FA—HA 之間會使用此CoA 。
Home Network
MN所在的原網路。
Foreign Network
MN 漫遊到的其他網路,也就是MN原網路之外 的其他網路。
Mobile IPv4(MIP)架構(續)
Agent Discovery
搜索能力,行動節點利用搜索程序來辦認可能的 home及foreign agents。
HA’s and FA’s broadcast their presence on each network to which they are attached Beacon messages via ICMP Router Discovery Protocol (IRDP)
MN’s listen for advertisement and then initiate registration
Mobile IP的功能
Registration
註冊能力,行動節點利用認証註冊程序來通知home agent 有關它管轄的轉交位址(care-of address).
When MN is away, it registers its COA with its HA
Typically through the FA with strongest signal
Registration control messages are sent via UDP to well known port
Tunneling
通道建立能力,用來轉送IP datagrams自home address至 care-of address。
透過Encapsulation及Decapsulation來達成tunneling
Encapsulation加入CoA
Decapsulation移除CoA
Mobile IP的功能(續)
Handoff protocol
Network-controlled handoff (NCHO)
Mobile-assisted handoff (MCHO)
Mobile-controlled handoff (MAHO)
Three basic kind of handoff:
Intra-BSS
Intra-MSC (inter-BSS)
Inter-MSC
Handoff in GSM
Intra-MSC
Inter-MSC
Inter-MSC(續)
異質網路整合
智慧化異質無線通訊系統換手議題
Satellite Broadcasting
Digital Broadcasting Digital Broadcasting
Cellular Cellular
2G、3G 2G、3G
Wireless PANs Wireless
LANs
Wireless LANs Wireless
PANs
Local Area Network
Personal Network
Vertical Handover Vertical Handover
Horizontal Handover
UMA簡介
UMA:Unlicensed Mobile Access
UMA技術主要是為了改善室內的手機通話品 質而設計的,它利用Wi-Fi網路來彌補室內手 機信號較弱的缺陷。當手機網路繁忙或者信 號不好時,手機用戶可透過Wi-Fi網路來進行 語音通信。
2005年4月於3GPP標準中開放之規格(GAN)。
UMA簡介(續)
其主要功能在於使行動語音及資料存取服務從廣域 蜂巢式網路,如GSM/GPRS ,不中斷的漫遊或換手 至公共或私有的無授權頻帶存取網路,如Wi-Fi及 Bluetooth。
用戶在蜂巢式網路和WLAN之間切換時可以保持語 音和數據通訊的無接縫與連續性,就像原來他們在 蜂巢式網路中的單元間移動一樣透明。
用戶對全部服務、位置和行動的感受是完全透明的,
不管是透過WLAN還是蜂巢式網路連接,服務都完 全一致。
UMA簡介(續)
部署UMA的行動服務供應商可以透過提供增 強的服務計劃,將領地擴展到傳統行動業務 之外,來獲取固話服務收入。
固定線路服務供應商則可在他們傳統的本地、
長距離和寬頻接取服務上增加行動服務,同 時仍保留他們自己的固定網路基礎設備上的 業務。
UMA參與廠商
Alcatel
British Telecom
Cingular
Ericsson
Kineto Wireless
Motorola
Nokia
Nortel Networks
O2
Research in Motion
Rogers Wireless
Siemens
Sony Ericsson
T-Mobile US
UMA優點-For Carriers
除了在收訊不良的地方安裝昂貴的基地台外,
UMA允許使用較便宜的802.11存取點來增加 覆蓋的範圍,讓使用者在家中就可以擁有非 常好的覆蓋範圍。
UMA也可以移除一般的通話並將其透過相對 較便宜的網際網路繞送的方式,來減輕GSM 或UMTS頻帶上擁擠的現象。
網路營運者也提供網際網路的服務,因此也 可以透過推銷宣傳的方式推廣並收費。
UMA優點-For Carriers(續)
其他提供802.11熱點網路服務的網路營運商 如T-Mobile,也可以利用這些熱點在人口稠 密的地方提供更大的容量以及涵蓋範圍。
使用者會因為使用這許多的服務、建立網路 連線以及繞送服務而支付費用。
UMA優點-For Subscribers
使用者不需要依賴營運者架設基地台的能力,
便能解決部分因為涵蓋範圍所造成訊號不佳 的問題。
802.11更便宜的傳輸速率和更好的涵蓋範圍,
讓在家中使用手機比有線電話更方便。
使用IP/802.11讓漫遊更便宜。
一個門號一支手機整合蜂巢式和IP網路的涵 蓋範圍及服務,提供無接縫的GSM與802.11 行動通訊(如VOIP)。
UMA缺點
使用者必頇升級更昂貴且支援WiFi/UMA的裝 置。
通話很容易因為進入或離開WiFi的涵蓋範圍 而被中斷。
UMA使用不同的頻帶使得干擾更嚴重。
使用者必頇花費更多的時間做設定。
WiFi認證與安全的問題。
因為需要開啟WiFi模組,必頇要解決耗電量 的問題。
UMA架構
UMA架構(續)
UMA可以有效地產生一個平行的無線接取網 路─UMA網路,該網路採用具有行動性能的 現有標準介面與行動核心網路相連。行動核 心網路保持不變。
為了讓使用者能在兩個不同網路中不斷訊號
的漫遊,UMA技術定義了一個新的網路元素,
The UMA Network Controller(UNC),以確 保GSM/GPRS訊號和IP訊號安全轉換。
UMA網路控制器
UMA網路控制器是UMA解決方案的主要網路 實體,它就像是傳統的GSM/EDGE無線接取 網路的基地台子系統那樣與GSM/GPRS核心 網路相連接,並與公共或私有IP網路相連接,
因此可以與具有UMA功能的行動基地台之間 進行通訊。
對於GSM/GPRS核心網路來說,UNC既能為 電路交換語音服務提供標準的GSM A介面,
也能為封包數據服務提供GPRS Gb介面。
UMA網路控制器(續)
在UMAN中,UNC和行動基地台之間的介面 被定義為‘上行’介面。UNC使用標準的IP 傳輸支援連到每個行動基地台的上行介面。
UNC保持與每個基地台之間的端到端通訊,
並透過A/Gb介面將GSM/GPRS控制和用戶層 業務中繼到行動核心網路。
UNC負責使基於IP的UMAN接取網路表現得 就像是與核心網路相連的傳統無線接取網路。
UMA網路控制器(續)
UNC包含安全網路閘道(SGW)功能,可以實 現連到每個行動基地台的安全IP介面。
SGW利用IPSec隧道提供數據完整性和保密性,
並使用IKEv2進行隧道設立和相互認證。
SGW利用基於公鑰的證書獲得認證,而用戶 透過EAP-SIM使用SIM憑證獲得認證。
SGW可以實現到AAA伺服器的Radius介面,
完成基於EAP-SIM的用戶認證。
UMA網路控制器(續)
具有UMA功能的行動基地台就是執行UMA客 戶端軟體並具有WLAN功能的蜂巢式手機。
客戶端軟體讓手機中的WLAN無線資源像是 GSM無線電的一種平行資源。透過這種方式 的整合,手機中的更高層次服務和應用程式 可以完全保持不變。
一項服務可以透過WLAN無線網路而非GSM 網路來提供。
UNC的主要功能
透過每個行動基地台和服務供應商的核心網路之間的開放 IP網路提供安全、私密的通訊
提供發現、註冊和重定向服務,以允許行動基地台連接到 合適的UNC
中繼更高層的基地台和GSM/GPRS核心網路的控制訊號
針對電路和封包數據服務建立和刪除UMA承載通道連線
將語音承載通道從IP語音(VoIP)傳輸轉換成針對傳統的基 於PCM的A介面的電路語音(VoC)傳輸
針對UMAN模擬傳呼、換手和類似的無線存取動作
提供與標準相容的A和Gb介面合適的實體、訊號和承載介 面
標準WLAN存取點
存取點(AP)為UMA解決方案提供了Wi-Fi或藍 芽覆蓋以及到寬頻IP網路的線路。
AP不需要任何專門的UMA技術。
UMA行動設備可以使用任何現有的普通AP。
AP可以是住宅區WLAN、企業WLAN或公共 無線熱點的一部份。
授權使用WLAN的UMA行動設備可以直接連 接行動網路中的UNC,因而在行動基地台和 行動核心網路之間設立網路連接。
標準寬頻IP存取
寬頻IP客戶軟體提供了UMA業務到行動核心 網路的廣域傳輸。
任何一直在線並且共享的網際網路存取就已 足夠。
企業用戶可以使用現成的企業IP網路存取,
住宅用戶可以使用社區的寬頻網際網路存取。
對已經存在的IP存取客戶軟體來說,UMA業 務只是一種新的高價值應用。
標準寬頻IP存取(續)
上行介面使用IP傳輸在UNC和行動基地台之間工作,負責在 行動基地台和行動核心網路之間運送GSM/GPRS訊號和承載。
採用這種方法後,無需對行動核心網路作任何修改就能支援
完整的GSM/GPRS功能和服務。
服務包括了所有的GSM/GPRS服務如:IN/CAMEL、MMS、
SMS、VMS、WAP等。
行動性由使用標準的GSM/GPRS訊號機制的網路間換手組成,
這種換手發生在行動基地台、BSC/RNC、UNC、MSC和 SGSN間。
安全性是透過基於SIM的端點到端點認證來實現服務訂購安 全。
UMA功能架構
Up Signaling Protocol Architecture
for CS Domain
Up GSM Speech Bearer Protocol
Architecture
Up GPRS Signaling Architecture
Up GPRS User Plane Protocol
Architecture
UMA Security Mechanisms
802.21
在2004年3月IEEE 802.21工作小組正式成立,
802.21是由Intel所主導之規格,其目的為使行 動裝置在不同網路之間漫遊時,提供相關異 質網路技術界接,且能自動選擇最好用的網 路連接類型,並無縫隙地切換通訊路徑。
802.21之核心在於Media Independent Handover Function(MIHF),其主要功能在將資料連 接層中之802.11,802.16或Cellular等不同無線 技術之MAC、PHY,用一共同介面將資料成 功切換至網路架構中Layer 3以上之層級。
802.21(續)
整個MIHF共定義了三個不同的服務:
Media Independent Events Service
整個MIH Function運作,首先在使Layer2之不同網路技 術透過MIES向上傳遞。
Media Independent Command Service
而上層如SIP、IPv4、及IPv6等也可透過MICS往下層 傳達命令。
Media Independent Information Service
最後透過MIIS提供MIFH實體層能夠發現在搜尋範圍內 之訊息。
802.21(續)
透過802.21能讓Voice及Video等講求Real-time 之應用可依環境所需速度適時切換至所需網 路,而不產生訊號延遲現象。
目前在IEEE 802之各種傳輸技術中,並沒有 無接縫界接之機制,因此在802.11技術已成熟 及802.16技術也已問世,802.21所扮演的角色 將趨於重要。
將Wi-Fi、WiMAX及WWAN透過其MIH、
Information Service及Smart Trigger等三大重要 功能,將異質網路間訊號順利串接。