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6: Redes Móveis e sem Fios6-1 Redes Sem Fios e M ó veis Cap 6 do Kurose Nota dos autores: Were making these slides freely available to all (faculty, students,

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1 6: Redes Móveis e sem Fios6-1 Redes Sem Fios e M ó veis Cap 6 do Kurose Nota dos autores: Were making these slides freely available to all (faculty, students, readers). Theyre 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, wed 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 J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved Computer Networking: A Top Down Approach 4 th edition. Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, July 2007.

2 6: Redes Móveis e sem Fios6-2 Introdução r # de assinantes de telefones móveis excede largamente o número de assinantes de telefones fixos m 34 milhões em 1993; 2 bilhões em 2005 r Redes de computadores cada vez mais com mais dispositivos móveis: laptops, palmtops, PDAs, telefones VOIP m A mobilidade veio para ficar r Dois desafios importantes mas diferentes m Comunicações sem fios : comunicação através de ligações sem fios m Mobilidade: gestão do utilizador móvel que muda contantemente o seu ponto de ligação à rede

3 6: Redes Móveis e sem Fios6-3 Sumário r Introdução r Ligações sem fios e características da rede m CDMA r Wi-Fi: Redes Locais sem fios m Arquitectura m Protocolo de acesso ao meio m Quadro IEE m Mobilidade na mesma sub- rede IP m Funcionalidades avançadas no m Para além do : Bluetooth e WiMAX r Acesso celular à Internet m Visão geral da Arquitectura Celular m Revisão sumária das normas e tecnologias celulares r Principios da Gestão da Mobilidade m Endereçamento m Encaminhamento para um nó móvel r IP Móvel r Gestão da Mobilidade em Redes Celulares m Encaminhamento de chamadas para um utilizador móvel m Handoffs no GSM r Redes sem fios e Mobilidade: impacto nas camadas superiores r Sumário

4 6: Redes Móveis e sem Fios6-4 Elementos de uma rede sem fios Infra-estructura de Rede Hosts sem fios r laptop, PDA, telefone IP r Correm aplicações r Podem ser estacionários ou móveis m Sem fios não significa mobilidade

5 6: Redes Móveis e sem Fios6-5 Elementos de uma rede sem fios Infra-estructura de Rede Estação Base r Conectada à rede com fios, normalmente r relay – responsável pelo envio de pacotes entre hosts com e sem fios na sua area m i.e., torres das células, pontos de acesso

6 6: Redes Móveis e sem Fios6-6 Elementos de uma rede sem fios Infra-estructura de Rede ligação sem fios r Tipicamente usado para ligar os móveis à estação base r Também usado como ligação de backbone r Acesso ao link coordenado por protocolos múltiplos r Variação no débito de dados e distância de transmissão

7 6: Redes Móveis e sem Fios6-7 Características das normas para ligações sem fios seleccionadas Indoor 10-30m Outdoor m Mid-range outdoor 200m – 4 Km Long-range outdoor 5Km – 20 Km IS-95, CDMA, GSM 2G UMTS/WCDMA, CDMA2000 3G b a,g UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO 3G cellular enhanced (WiMAX) a,g point-to-point n Data rate (Mbps) data

8 6: Redes Móveis e sem Fios6-8 Elementos de uma rede sem fios Infra-estructura de Rede modo infra-estructura r Estação Base liga os móveis à rede com fios r handoff: o móvel muda de estação de base que o liga à rede com fios

9 6: Redes Móveis e sem Fios6-9 Elementos de uma rede sem fios Modo ad hoc r Sem estações de base r Os nós podem apenas transmitir para outros nós dentro sa sua área de cobertura r Os nós organizam-se em rede: encaminham através de si próprios

10 6: Redes Móveis e sem Fios6-10 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 nem Ligação 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 relays Para atingir um dado nó sem fios na MANET, VANET

11 6: Redes Móveis e sem Fios6-11 Características das Ligações Sem Fios (1) Diferenças para as ligações com fios …. m Força decrescente do sinal : o sinal de rádio é bastante atenuado quando se propaga através do meio (perdas do percurso) m 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 m 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

12 6: Redes Móveis e sem Fios6-12 Características das Ligações Sem Fios (2) r SNR: signal-to-noise ratio m Maior SNR – mais fácil extrair o sinal do ruído (uma coisa boa) r Compromissos SNR versus BER m Dada a camada física: aumenta a potência -> aumenta SNR- >diminui BER m 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) QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) SNR(dB) BER

13 6: Redes Móveis e sem Fios6-13 Características das Ligações Sem Fios (3) Múltiplos transmissores e receptores sem fios criam problemas adicionais (para além do acesso múltiplo) A B C Problema do terminal escondido r B, A ouvem um ao outro r B, C ouvem um ao outro r A, C não podem ouvir-se entre si o que significa que não se apercebem da interferência em B A B C Força do Sinal de A space Força do Sinal de C Atenuação do sinal: r B, A ouvem um ao outro r B, C ouvem um ao outro r A, C não podem ouvir-se interferem em B

14 6: Redes Móveis e sem Fios6-14 Code Division Multiple Access (CDMA) r Usado em vários normas para canais broadcast sem fios (celular, satélite, etc) r Código único atribuído a cada utilizador, i.e. partição do conjunto de códigos r 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 r Sinal codificado = (dados originais) X (chipping sequence) r Descodificação = produto interno do sinal codificado com a sequência de transporte (chipping) r Permite a coexistencia de múltiplos utilizadores que transmitem simultaneamente com mínima interferência (se os códigos forem ortogonais)

15 6: Redes Móveis e sem Fios6-15 CDMA Codificação/Descodificação slot 1 slot 0 d 1 = Z i,m = d i. c m d 0 = slot 0 channel output slot 1 channel output channel output Z i,m sender code data bits slot 1 slot 0 d 1 = -1 d 0 = slot 0 channel output slot 1 channel output receiver code received input D i = Z i,m. c m m=1 M M

16 6: Redes Móveis e sem Fios6-16 Problema 1 r Qual seria o valor de saida do transmissor se o código CDMA fosse (1,-1,1,-1,1-1,1-1)?

17 6: Redes Móveis e sem Fios6-17 CDMA: Interferência de duas transmissões

18 6: Redes Móveis e sem Fios6-18 Problema 2 r 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.

19 6: Redes Móveis e sem Fios6-19 Sumário r Introdução r Ligações sem fios e características da rede m CDMA r Wi-Fi: Redes Locais sem fios m Arquitectura m Protocolo de acesso ao meio m Quadro IEE m Mobilidade na mesma sub- rede IP m Funcionalidades avançadas no m Para além do : Bluetooth e WiMAX r Acesso celular à Internet m Visão geral da Arquitectura Celular m Revisão sumária das normas e tecnologias celulares r Principios da Gestão da Mobilidade m Endereçamento m Encaminhamento para um nó móvel r IP Móvel r Gestão da Mobilidade em Redes Celulares m Encaminhamento de chamadas para um utilizador móvel m Handoffs no GSM r Redes sem fios e Mobilidade: impacto nas camadas superiores r Sumário

20 6: Redes Móveis e sem Fios6-20 Redes Locais sem fios IEEE r b m GHz espectro sem licença m Até 11 Mbps m direct sequence spread spectrum (DSSS) na camada física Todos os hosts usam o mesmo código de chipping r a m Gama 5-6 GHz m Até 54 Mbps r g m Gama GHz m Até 54 Mbps r n: antenas múltiplas m Gama GHz m Até 200 Mbps r Todas usam CSMA/CA para acesso múltiplo r Todas têm versões com estação de base e para redes ad-hoc

21 6: Redes Móveis e sem Fios6-21 Arquitectura da LAN r Cada host sem fios comunica com uma estação de base m Estação de Base = Ponto de Acesso (AP) r Cojunto básico de serviço (BSS) (aka cell) no modo infra-estrtutura contém: m Hosts sem fios m Pontos de Acesso (AP): Estações de Base BSS 1 BSS 2 Internet hub, switch or router AP

22 6: Redes Móveis e sem Fios6-22 Arquitectura da LAN r Cojunto básico de serviço (BSS) em modo Ad hoc contém: m Hosts sem fios BSS

23 6: Redes Móveis e sem Fios : Canais e Associação r b: gama do espectro 2.4GHz-2.485GHz dividido em 11 canais com diferentes frequências m AP admin escolhe a frequência para o AP m Possível interferência: escolha do mesmo canal que um AP vizinho ! r host: deve associar-se a um AP m Varre os canais, ouvindo os quadros de orientação (beacon frames) contendo o nome do AP (SSID) e endereços MAC m Selecciona um AP para se associar m Pode autenticar-se (ver Capítulo 8) m Tipicamente corre o DHCP para obter um endereço IP na subrede do AP

24 6: Redes Móveis e sem Fios6-24 Problema 3 r 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 m Suponha adicionalmente que cada ISP configurou o seu AP para funcionar no canal 11. Será que o protocolo deixa de funcionar nesta situação? O que acontece se 2 estações cada uma de um ISP tentam transmitir ao mesmo tempo. m Responda às mesmas questão se um AP funcionar no canal 1 e outro no canal 11. As suas respostas mudam?

25 6: Redes Móveis e sem Fios : Varrimento Activo/Passivo AP 2 AP 1 H1 BBS 2 BBS 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 2 AP 1 H1 BBS 2 BBS 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

26 6: Redes Móveis e sem Fios6-26 Acesso mútiplo no IEEE r Evitar colisões: 2 + nós a transmitir simultaneamente. r : CSMA – Ouvir antes de transmitir m Não colidir com uma transmissão de outro nó em curso r : Não há detecção de colisão ! m É dificil receber (ouvir colisões) quando se transmito devido à fraqueza do sinal recebido (desvanescimento, fading) m Em qualquer caso não se consegue ouvir as colisões em todas situações: terminal escondido, fading m Objectivo: Evitar colisões: CSMA/C(ollision)A(voidance) A B C A B C Força do sinal A space Força do sinal C

27 6: Redes Móveis e sem Fios6-27 Protocolo de Controlo de Acesso ao Meio (MAC) do IEEE : CSMA/CA Transmissor 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 backoff O temporizador faz uma contagem decrescente à espera do canal inactivo Transmite quando o tempo termina Se não tiver confirmação (ACK), aumenta o intervalo aleatório do tempo de backboff, e repete o passo 2 Receptor 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

28 6: Redes Móveis e sem Fios6-28 CSMA/CD versus CSMA/CA r CSMA/CD (Ethernet) m Transmite mal se aperceba que o canal está livre r CSMA/CA m 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?

29 6: Redes Móveis e sem Fios6-29 Problema 4 r 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 para não permitir essa estação enviar imediatamente o quadro seguinte (se detectar o canal livre)?

30 6: Redes Móveis e sem Fios6-30 CSMA/CD versus CSMA/CA r Ethernet r Começam logo a transmitir e dá colisão m Não é grave m Há mecanismos de detecção de colisão r Wireless r Esperam um tempo de contagem random m Uma delas ganha e começa a transmitir m 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 outra Escolhem tempos muito próximos

31 6: Redes Móveis e sem Fios6-31 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. r O transmissor primeiro envia pacotes pequenos com pedido de envio (request-to-send,RTS) para a BS usando o CSMA m As RTSs podem também colidir (mas são pequenas) r A estação de base (BS) difunde clear-to-send (CTS) em resposta ao in response to RTS r CTS ouvido por todos nós m Transmissor envia o quadro de dados m As outras estações atrasam (deferem) as suas transmissões Evitar por completo colisões de quadros de dados com recurso a pequenos pacotes de reserva!

32 6: Redes Móveis e sem Fios6-32 Collision Avoidance: RTS-CTS exchange AP A B time RTS(A) RTS(B) RTS(A) CTS(A) DATA (A) ACK(A) reservation collision defer

33 6: Redes Móveis e sem Fios6-33 Problema 5 r Suponha que uma estação 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.

34 6: Redes Móveis e sem Fios6-34 Ligações ponto-a-ponto r pode ser usado com antenas direccionais para ligações ponto-a-ponto de dezenas de Km m Hardware de baixo custo m Antenas direccionais m Potência reforçada r Exemplo na Índia [Raman 2007]

35 6: Redes Móveis e sem Fios6-35 frame control duration address 1 address 2 address 4 address 3 payloadCRC seq control Quadro : Payload e CRC r Payload – Datagrama IP ou pacote ARP m Embora possa ir até 2,312 bytes normalmente é inferior a 1500 bytes r CRC (Cyclic Redundancy Checking) m Permite ao receptor detectar erros no quadro recebido m É bastante útil porque aqui há erros mesmo !

36 6: Redes Móveis e sem Fios6-36 frame control duration address 1 address 2 address 4 address 3 payloadCRC seq control Quadro : endereçamento Endereço 2: endereço MAC do host sem fios ou AP que transmite o quadro Endereço 1: endereço MAC do host sem fios ou AP 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

37 6: Redes Móveis e sem Fios6-37 Internet router AP H1 R1 AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr address 1 address 2 address frame R1 MAC addr H1 MAC addr dest. address source address frame Quadro : endereçamento

38 6: Redes Móveis e sem Fios6-38 frame control duration address 1 address 2 address 4 address 3 payloadCRC seq control Type From AP Subtype To AP More frag WEP More data Power mgt RetryRsvd Protocol version Quadro : Outros campos duration of reserved transmission time (RTS/CTS) frame seq # (for reliable ARQ) frame type (RTS, CTS, ACK, data)

39 6: Redes Móveis e sem Fios6-39 hub or switch AP 2 AP 1 H1 BBS 2 BBS : Mobilidade na mesma subrede router r H1 permanece na mesma sub-rede: o endereço IP pode ser o mesmo r Switch: a que AP está associado H1? m 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

40 6: Redes Móveis e sem Fios : Funcionalidades avançadas Adaptação da taxa de transmissão r 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) SNR(dB) BER operating point 1. A SNR diminui, a BER aumenta conforme o nó se afasta da estação de base 2. Quando a BER se torna muito grande mude-se para uma taxa transmissão mais baixa mas com BER mais pequena.

41 6: Redes Móveis e sem Fios : Funcionalidades avançadas Gestão da Energia r node-to-AP: Vou adormecer até o próximo quadro beacon m O AP sabe que não transmite quadros para o nó m O nó acorda antes dó próximo quadro beacon r Quadro beacon: contém a lista dos dos nós móveis com quadros em espera no AP m O nó acorda se há quadros em espera, caso contrário adormece até ao próximo quadro beacon

42 6: Redes Móveis e sem Fios6-42 Próxima aula r Introdução r Ligações sem fios e características da rede m CDMA r Wi-Fi: Redes Locais sem fios m Arquitectura m Protocolo de acesso ao meio m Quadro IEE m Mobilidade na mesma sub- rede IP m Funcionalidades avançadas no m Para além do : Bluetooth e WiMAX r Acesso celular à Internet m Visão geral da Arquitectura Celular m Revisão sumária das normas e tecnologias celulares r Principios da Gestão da Mobilidade m Endereçamento m Encaminhamento para um nó móvel r IP Móvel r Gestão da Mobilidade em Redes Celulares m Encaminhamento de chamadas para um utilizador móvel m Handoffs no GSM r Redes sem fios e Mobilidade: impacto nas camadas superiores r Sumário

43 6: Redes Móveis e sem Fios6-43 M radius of coverage S S S P P P P M S Master device Slave device Parked device (inactive) P : personal area network r less than 10 m diameter r replacement for cables (mouse, keyboard, headphones) r ad hoc: no infrastructure r master/slaves: m slaves request permission to send (to master) m master grants requests r : evolved from Bluetooth specification m GHz radio band m up to 721 kbps

44 6: Redes Móveis e sem Fios : WiMAX r like & cellular: base station model m transmissions to/from base station by hosts with omnidirectional antenna m base station-to-base station backhaul with point-to-point antenna r unlike : m range ~ 6 miles (city rather than coffee shop) m ~14 Mbps point-to-multipoint point-to-point

45 6: Redes Móveis e sem Fios : WiMAX: downlink, uplink scheduling r transmission frame m down-link subframe: base station to node m uplink subframe: node to base station pream. DL- MAP UL- MAP DL burst 1 SS #1 DL burst 2 DL burst n Initial maint. request conn. 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 r WiMAX standard provide mechanism for scheduling, but not scheduling algorithm

46 6: Redes Móveis e sem Fios6-46 Chapter 6 outline 6.1 Introduction Wireless r 6.2 Wireless links, characteristics m CDMA r 6.3 IEEE wireless LANs (wi-fi) r 6.4 Cellular Internet Access m architecture m standards (e.g., GSM) Mobility r 6.5 Principles: addressing and routing to mobile users r 6.6 Mobile IP r 6.7 Handling mobility in cellular networks r 6.8 Mobility and higher- layer protocols 6.9 Summary

47 6: Redes Móveis e sem Fios6-47 Mobile Switching Center Public telephone network, and Internet 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 AP mobile users attach to network through BS air-interface: physical and link layer protocol between mobile and BS cell wired network

48 6: Redes Móveis e sem Fios6-48 Cellular networks: the first hop Two techniques for sharing mobile-to-BS radio spectrum r combined FDMA/TDMA: divide spectrum in frequency channels, divide each channel into time slots r CDMA: code division multiple access frequency bands time slots

49 6: Redes Móveis e sem Fios6-49 Cellular standards: brief survey 2G systems: voice channels r IS-136 TDMA: combined FDMA/TDMA (north america) r GSM (global system for mobile communications): combined FDMA/TDMA m most widely deployed r IS-95 CDMA: code division multiple access IS-136 GSM IS-95 GPRS EDGE CDMA-2000 UMTS TDMA/FDMA Dont drown in a bowl of alphabet soup: use this for reference only

50 6: Redes Móveis e sem Fios6-50 Cellular standards: brief survey 2.5 G systems: voice and data channels r for those who cant wait for 3G service: 2G extensions r general packet radio service (GPRS) m evolved from GSM m data sent on multiple channels (if available) r enhanced data rates for global evolution (EDGE) m also evolved from GSM, using enhanced modulation m data rates up to 384K r CDMA-2000 (phase 1) m data rates up to 144K m evolved from IS-95

51 6: Redes Móveis e sem Fios6-51 Cellular standards: brief survey 3G systems: voice/data r Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS) m data service: High Speed Uplink/Downlink packet Access (HSDPA/HSUPA): 3 Mbps r CDMA-2000: CDMA in TDMA slots m data service: 1xEvlution Data Optimized (1xEVDO) up to 14 Mbps ….. more (and more interesting) cellular topics due to mobility (stay tuned for details)

52 6: Redes Móveis e sem Fios6-52 Chapter 6 outline 6.1 Introduction Wireless r 6.2 Wireless links, characteristics m CDMA r 6.3 IEEE wireless LANs (wi-fi) r 6.4 Cellular Internet Access m architecture m standards (e.g., GSM) Mobility r 6.5 Principles: addressing and routing to mobile users r 6.6 Mobile IP r 6.7 Handling mobility in cellular networks r 6.8 Mobility and higher- layer protocols 6.9 Summary

53 6: Redes Móveis e sem Fios6-53 What is mobility? r 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.

54 6: Redes Móveis e sem Fios6-54 Mobility: Vocabulary home network: permanent home of mobile (e.g., /24) Permanent address: address in home network, can always be used to reach mobile e.g., home agent: entity that will perform mobility functions on behalf of mobile, when mobile is remote wide area network correspondent

55 6: Redes Móveis e sem Fios6-55 Mobility: more vocabulary Care-of-address: address in visited network. (e.g., 79, ) wide area network visited network: network in which mobile currently resides (e.g., /24) Permanent address: remains constant ( e.g., ) foreign agent: entity in visited network that performs mobility functions on behalf of mobile. correspondent: wants to communicate with mobile

56 6: Redes Móveis e sem Fios6-56 How do you contact a mobile friend: r search all phone books? r call her parents? r 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?

57 6: Redes Móveis e sem Fios6-57 Mobility: approaches r Let routing handle it: routers advertise permanent address of mobile-nodes-in-residence via usual routing table exchange. m routing tables indicate where each mobile located m no changes to end-systems r Let end-systems handle it: m indirect routing: communication from correspondent to mobile goes through home agent, then forwarded to remote m direct routing: correspondent gets foreign address of mobile, sends directly to mobile

58 6: Redes Móveis e sem Fios6-58 Mobility: approaches r Let routing handle it: routers advertise permanent address of mobile-nodes-in-residence via usual routing table exchange. m routing tables indicate where each mobile located m no changes to end-systems r let end-systems handle it: m indirect routing: communication from correspondent to mobile goes through home agent, then forwarded to remote m direct routing: correspondent gets foreign address of mobile, sends directly to mobile not scalable to millions of mobiles

59 6: Redes Móveis e sem Fios6-59 Mobility: registration End result: r Foreign agent knows about mobile r 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

60 6: Redes Móveis e sem Fios6-60 Mobility via Indirect Routing wide area network home network visited network 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

61 6: Redes Móveis e sem Fios6-61 Indirect Routing: comments r Mobile uses two addresses: m permanent address: used by correspondent (hence mobile location is transparent to correspondent) m care-of-address: used by home agent to forward datagrams to mobile r foreign agent functions may be done by mobile itself r triangle routing: correspondent-home-network- mobile m inefficient when correspondent, mobile are in same network

62 6: Redes Móveis e sem Fios6-62 Indirect Routing: moving between networks r suppose mobile user moves to another network m registers with new foreign agent m new foreign agent registers with home agent m home agent update care-of-address for mobile m packets continue to be forwarded to mobile (but with new care-of-address) r mobility, changing foreign networks transparent: on going connections can be maintained!

63 6: Redes Móveis e sem Fios6-63 Mobility via Direct Routing wide area network home network visited network correspondent requests, receives foreign address of mobile correspondent forwards to foreign agent foreign agent receives packets, forwards to mobile mobile replies directly to correspondent 3

64 6: Redes Móveis e sem Fios6-64 Mobility via Direct Routing: comments r overcome triangle routing problem r non-transparent to correspondent: correspondent must get care-of-address from home agent m what if mobile changes visited network?

65 6: Redes Móveis e sem Fios6-65 wide area network 1 foreign net visited at session start anchor foreign agent 2 4 new foreign agent 3 5 correspondent agent correspondent new foreign network Accommodating mobility with direct routing r anchor foreign agent: FA in first visited network r data always routed first to anchor FA r when mobile moves: new FA arranges to have data forwarded from old FA (chaining)

66 6: Redes Móveis e sem Fios6-66 Chapter 6 outline 6.1 Introduction Wireless r 6.2 Wireless links, characteristics m CDMA r 6.3 IEEE wireless LANs (wi-fi) r 6.4 Cellular Internet Access m architecture m standards (e.g., GSM) Mobility r 6.5 Principles: addressing and routing to mobile users r 6.6 Mobile IP r 6.7 Handling mobility in cellular networks r 6.8 Mobility and higher- layer protocols 6.9 Summary

67 6: Redes Móveis e sem Fios6-67 Mobile IP r RFC 3344 r has many features weve seen: m home agents, foreign agents, foreign-agent registration, care-of-addresses, encapsulation (packet-within-a-packet) r three components to standard: m indirect routing of datagrams m agent discovery m registration with home agent

68 6: Redes Móveis e sem Fios6-68 Mobile IP: indirect routing Permanent address: Care-of address: dest: packet sent by correspondent dest: dest: packet sent by home agent to foreign agent: a packet within a packet dest: foreign-agent-to-mobile packet

69 6: Redes Móveis e sem Fios6-69 Mobile IP: agent discovery r agent advertisement: foreign/home agents advertise service by broadcasting ICMP messages (typefield = 9) R bit: registration required H,F bits: home and/or foreign agent

70 6: Redes Móveis e sem Fios6-70 Mobile IP: registration example

71 6: Redes Móveis e sem Fios6-71 Components of cellular network architecture correspondent MSC wired public telephone network different cellular networks, operated by different providers recall:

72 6: Redes Móveis e sem Fios6-72 Handling mobility in cellular networks r home network: network of cellular provider you subscribe to (e.g., Sprint PCS, Verizon) m 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) r visited network: network in which mobile currently resides m visitor location register (VLR): database with entry for each user currently in network m could be home network

73 6: Redes Móveis e sem Fios6-73 Public switched telephone network mobile user home Mobile Switching Center HLR home network visited network correspondent Mobile Switching Center VLR GSM: indirect routing to mobile 1 call routed to home network 2 home MSC consults HLR, gets roaming number of mobile in visited network 3 home MSC sets up 2 nd leg of call to MSC in visited network 4 MSC in visited network completes call through base station to mobile

74 6: Redes Móveis e sem Fios6-74 Mobile Switching Center VLR old BSS new BSS old routing new routing GSM: handoff with common MSC r Handoff goal: route call via new base station (without interruption) r reasons for handoff: m stronger signal to/from new BSS (continuing connectivity, less battery drain) m load balance: free up channel in current BSS m GSM doesnt mandate why to perform handoff (policy), only how (mechanism) r handoff initiated by old BSS

75 6: Redes Móveis e sem Fios6-75 Mobile Switching Center VLR old BSS 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

76 6: Redes Móveis e sem Fios6-76 home network Home MSC PSTN correspondent MSC anchor MSC MSC (a) before handoff GSM: handoff between MSCs r anchor MSC: first MSC visited during cal m call remains routed through anchor MSC r new MSCs add on to end of MSC chain as mobile moves to new MSC r IS-41 allows optional path minimization step to shorten multi-MSC chain

77 6: Redes Móveis e sem Fios6-77 home network Home MSC PSTN correspondent MSC anchor MSC MSC (b) after handoff GSM: handoff between MSCs r anchor MSC: first MSC visited during cal m call remains routed through anchor MSC r new MSCs add on to end of MSC chain as mobile moves to new MSC r IS-41 allows optional path minimization step to shorten multi-MSC chain

78 6: Redes Móveis e sem Fios6-78 Mobility: GSM versus Mobile IP GSM elementComment on GSM elementMobile IP element Home systemNetwork to which mobile users 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 SystemNetwork 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

79 6: Redes Móveis e sem Fios6-79 Wireless, mobility: impact on higher layer protocols r logically, impact should be minimal … m best effort service model remains unchanged m TCP and UDP can (and do) run over wireless, mobile r … but performance-wise: m packet loss/delay due to bit-errors (discarded packets, delays for link-layer retransmissions), and handoff m TCP interprets loss as congestion, will decrease congestion window un-necessarily m delay impairments for real-time traffic m limited bandwidth of wireless links

80 6: Redes Móveis e sem Fios6-80 Chapter 6 Summary Wireless r wireless links: m capacity, distance m channel impairments m CDMA r IEEE (wi-fi) m CSMA/CA reflects wireless channel characteristics r cellular access m architecture m standards (e.g., GSM, CDMA-2000, UMTS) Mobility r principles: addressing, routing to mobile users m home, visited networks m direct, indirect routing m care-of-addresses r case studies m mobile IP m mobility in GSM r impact on higher-layer protocols


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