Servicii de Date In Reteaua Mobila de Tip 3g 4g cu Acces Wifi

Cuprins

Lista tabelelor ……………………………………………………………………………………………………… iii

Lista figurilor ………………………………………………………………………………………………………. iii

Lista acronimelor ………………………………………………………………………………………………… iv

Introducere ……………………………………………………………………………………………………. 1

Serviciul de date în rețeaua mobilă de tip 3G/4G ……………………………………………. 2

2.1 Evoluția serviciului de date mobile ………………………………………………………….. 2

2.2 Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) …………………………… 4

2.3 Long Term Evolution (LTE) …………………………………………………………………… 7

2.4 Funcționarea serviciului de date în rețeaua 3G/4G …………………………………….. 10

2.5 Limitările existente în rețelele 3G/4G ………………………………………………………. 11

3. Interconectarea sistemelor 3G/4G cu rețelele WiFi ………………………………………….. 14

3.1 Standardul 802.11 (WiFi) ………………………………………………………………………. 14

3.2 WiFi – soluția optimă pentru Mobile Data Offloading ………………………………. 19

5. Concluzii …………………………………………………………………………………………………………

Bibliografie ………………………………………………………………………………………………………….

Lista tabelelor

3.1 Standardele 802.11 ……………………………………………………………………………………………………… 15

Lista figurilor

2.1 Evoluția numărului abonaților din perioada 2005-2014 …………………………………………………… 2

2.2 Creșterea exponențială a traficului de date mobile ………………………………………………………….. 4

2.3 Arhitectura rețelei UMTS ……………………………………………………………………………………………. 5

2.4 Arhitectura rețelei LTE ……………………………………………………………………………………………….. 9

2.5 Transferul de pachete de date ………………………………………………………………………………………. 10

2.6 Localizarea problemelor în rețea …………………………………………………………………………………… 13

3.1 Stiva de protocoale parțială a standardului 802.11 ………………………………………………………….. 15

3.2 Transmiterea unui cadru utilizând CSMA/CA ……………………………………………………………….. 16

3.3 O rețea WLAN …………………………………………………………………………………………………………… 17

3.4 Detecția virtuală a purtătoarei utilizând CSMA/CA ………………………………………………………… 18

3.5 Structura cadrului de date în standardul 802.11 ………………………………………………………………. 18

Lista acronimelor

GPRS = Serviciul Radio cu Comutare de Pachete (General Packet Radio Service)

EDGE = GPRS îmbunătățit (Enhanced Data rates for GSM Evolution)

UMTS = Sistemul Universal de Telecomunicații Mobile (Universal Mobile Telecommunications System)

UE = Terminalul Utilizatorului (User Equipment)

UTRAN = Rețeaua de Acces Radio în UMTS (Universal Terrestrial Radio Access Network)

CN = Rețeaua Nucleu (Core Network)

SIM = Modulul de Identitate al Abonatului (Subscriber Identity Module)

USIM = Modulul de Identitate al Abonatului UMTS (UMTS Subscriber Identity Module)

ME = Echipamentul mobil (Mobile Equipment)

RNS = Subsistemul Rețelelor Radio (Radio Network Subsystem)

RNC = Controlerul Rețelei Radio (Radio Network Controller)

MSC = Centrala Mobilă de Comutație (Mobile Switching Centre)

GMSC = MSC poartă (Gateway MSC)

SGSN = Nodul Suport pentru Serviciul GPRS (Serving GPRS Support Node)

GGSN = Nodul Suport Poartă GPRS (Gateway GPRS Support Node)

MM = Managementul Mobilității (Mobility Management)

HLR = Registrul de Localizare al Abonaților Proprii (Home Location Register)

EIR = Registrul pentru Identificarea Echipamentelor Mobile (Equipment Identity Register)

AUC = Centrul de Autentificare (Authentication Centre)

LTE = Evoluția pe Termen Lung (Long Term Evolution)

OFDM = Multiplexarea cu Diviziune în Frecvență Ortogonală (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)

SC-FDMA = Acces Multiplu cu Diviziune în Frecvență cu o Singură Purtătoare (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) 

MIMO = Multiple Intrări-Multiple Ieșiri (Multiple-Input and Multiple-Output)

SAE = Evoluția Arhitecturii Sistemului (System Architecture Evolution)

EPC = Rețeaua Nucleu cu Comutație de Pachete Evoluată (Evolved Packet Core)

MME = Entitatea responsabilă de Managementul Mobilității (Mobility Management Entity)

HSS = Serverul abonaților (Home Subscriber Server)

PDN = Rețeaua de Pachete de Date (Packet Data Network)

SGW = Poarta de Acces de Servire (Serving Gateway)

PGW = Poarta PDN (PDN Gateway)

PCRF = Funcțiile de Control a Politicilor și a Normelor de Taxare (Policy Control and Charging Rules Function)

MDO = Descărcarea Datelor Mobile (Mobile Data Offloading)

QoS = Calitatea Serviciilor (Quality of Service)

LAN = Rețea Locală (Local Area Network)

AP = Punct de Acces (Access Point)

MAC = Controlul Accesului la Mediu (Medium Access Control)

LLC = Controlul Legăturii Logice (Logical Link Control)

CSMA/CD = Accesul Multiplu cu Sesizarea Purtătoarei și Detectarea Coliziunilor (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

CSMA/CA = Accesul Multiplu cu Sesizarea Purtătoarei și Evitarea Coliziunilor (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

DCF = Funcția de Coordonare Distribuită (Distributed Coordination Function)

NAV = Vector de Alocare în Rețea (Network Allocation Vector)

RTS = Cererea de a Transmite (Request To Send)

CTS = Permiterea Trasnmisiunii (Clear To Send)

WEP = Confidențialitate Echivalentă Rețelelor cu Fir (Wired Equivalent Privacy)

WPA = Acces Protejat WiFi (WiFi Protected Access)

EAP = Protocol de Autentificare Extensibil (Extensible Authentication Protocol)

RADIUS = Serviciul de Autentificare la Distanță al Clienților (Remote Authentication Dial In User Service)

AAA = Autentificare, Autorizare și Contorizare (Authentication, Authorization and Accounting)

AKA = Autentificare și Acordul Cheie (Authentication and Key Agreement)

Capitolul 1

Introducere

În ultimii ani a existat o cerere enormă de servicii de date de mare viteză care să fie suportată de sistemele de comunicații mobile, datorită unei utilizări excesive de date la cerere de către utilizatori. Pe partea celulară, rata de transfer a datelor pe legătura descendentă a crescut de la maxim 20 Mbps pentru 3G HSPA la peste 100 Mbps pentru 3.9G LTE Rel.8 (și până la 1 Gbps pentru LTE-A Rel.10). Între timp, rata de transfer a datelor în tehnologia WiFi a crescut de la maxim 420 Mbps pentru 802.11n până la peste 4.9 Gbps penntru 802.11ac a doua generație. Explozia de smartphone-uri și serviciile multimedia au impus necesitatea unei benzi de date mai mari, ceea ce a condus rețelele celulare spre limite. Operatorii celulari caută soluții mai bune pentru a descărca (offload) rețelele celulare de această cerere extremă de flux de date a utilizatorilor. Pe de o parte, femtocelule par promițătoare deoarece spectrul de frecvențe poate fi reutilizat mult mai frecvent pe o arie geografică mai mică, cu un acces ușor la rețeaua de bază. Pe de altă parte, rețelele WiFi sunt deja disponibile în majoritatea locuințelor, sunt ușor de instalat și de administrat.

Mulți operatori au recurs la utilizarea WiFi pentru trafic offload ca o soluție efectivă de a descărca rețeaua de o cantitate mare de trafic oferind în același timp o varietate mare de servicii. Utilizarea WiFi oferă următoarele caracteristici:

Implimentări existente foarte răspândite

Disponibilitatea la utilizator a dispozitivelor care suportă această tehnologie

Costuri eficiente

Capacitatea de adresare a utilizatorilor noi fără abonament de telefonie mobilă (fără modul de identitate a abonatului [SIM])

Disponibilitatea globală a spectrului

Standarde disponibile pentru integrarea în nucleul rețelei mobile

Această lucrare își propune să studieze interconectarea rețelelor mobile 3G/4G cu rețelele WiFi în vederea obținerii unor performanțe îmbunătățite. În acest scop au fost realizate o serie de măsurători care să evidențieze calitatea experienței utilizatorului final.

Capitolul 2

Serviciul de date în rețeaua mobilă de tip 3G/4G

2.1 Evoluția serviciului de date mobile

Dezvoltarea comunicațiilor mobile a fost determinată de factorii sociali, economici și politici. Cererea consumatorilor, performanța economică a operatorilor și politicile guvernamentale sunt unele aspecte care afectează dezvoltarea tehnologică, investițiile de capital a operatorilor, și mediul de reglementare. Sectorul comunicațiilor mobile a fost caracterizat de o creștere globală rapidă a numărului de utilizatori. Pe parcursul anilor ’80 doar o mână de oameni dețineau un telefon mobil. La sfârșitul anilor ’80 numărul de abonați era numai de 5 milioane [1]. O dată cu introducerea generației a doua a sistemelor celulare (2G) în 1991, s-a pus problema de a populariza progresiv utilizarea telefoanelor mobile, făcându-le accesibile publicului larg. Progresul în microelectronică a făcut posibilă producerea mai ieftină a telefoanelor mobile. Tehnologia a avansat și treptat a crescut competiția între producătorii de echipamente, ceea ce a condus la reducerea costului infrastructurei rețelei celulare. În a doua jumătate a anilor ’90, am asistat la o creștere extraordinară a numărului de abonați în țările dezvoltate. În total, numărul de abonați a ajuns aproape la jumătate de miliard. Progresul a continuat în întreaga lume într-un ritm frenetic. Potrivit Uniunii Internaționale de Telecomunicații (ITU) , în ultimii zece ani numărul global al abonaților a crescut de la 2,2 miliarde la aproximativ 6,9 miliarde (96% din populația mondială). Această evoluție este ilustrată în Figura 2.1.

Figura 2.1 Evoluția numărului abonaților din perioada 2005-2014. Sursa: [2]

Deși aceste numere sunt semnificative, este de remarcat faptul că sectorul comunicațiilor mobile a ajuns într-un punct de saturare din punct de vedere al numărului de abonați în majoritatea piețelor. Dar noile sisteme rezultate din actualizarea tehnologiilor din rețeaua de comunicații și a echipamentelor oferă îmbunătățiri majore a experienței utilizatorilor și furnizează noi oportunități în afaceri. În Uniunea Europeană puterea de pătrundere a telefoanelor mobile este de circa 110% din totalul populației, pe când în țările dezvoltate asiatice a ajuns la 80%, la fel și în Statele Unite și Europa de Est unde dezvoltarea comunicațiilor mobile nu a fost la fel de importantă în ultimii ani. Încă mai este loc de creștere pe termen mediu pentru piețele mai puțin dezvoltate. Pe când operatorii de pe piețele saturate trebuie să dezvolte noi servicii pentru a-și garanta profiturile.

Acesta este motivul pentru care sectorul comunicațiilor mobile, astăzi mai mult decât oricând, caută să aducă pe piață noi servicii pentru utilizatori. Printre aceste servicii se numără rețelele de socializare, servicii bazate pe localizare, TV pe mobil, video la cerere, jocuri, și muzică de calitate înaltă. Aceste aplicații pentru terminalele mobile au fost dezvoltate pentru a asigura continuitatea utilizării serviciilor de telefonie mobilă și, respectiv, a veniturilor operatorilor. Din 2007 am urmărit o creștere destul de semnificativă în cererea de trafic. Pe lângă noile servicii au mai existat câțiva factori care au condus la dezvoltarea sectorului comunicațiilor mobile: creșterea pătrunderii generației a treia (3G), astfel încât utilizatorii au migrat rapid de la serviciile de 2G la 3G; dezvoltarea de smartphone-uri și tablete, împreună cu disponibilitatea tot mai mare a aplicațiilor ușor de utilizat bazate pe date mobile; proliferarea unui preț global al pachetelor de servicii, ceea ce deasemenea a schimbat amestecul de servicii către unul de utilizare mai intensivă; precum și creșterea utilizării dispozitivelor 3G în interiorul clădirilor, în detrimentul altor tehnologii. Toți acești factori au condus ca cererea de date mobile să depășească capacitatea rețelei 3G și au forțat apariția următoarei generații de tehnologie mobilă, generația a patra (4G), dezvoltată corespunzător luând în calcul acest trend. Pe lângă necesitatea creșterii transferului de date, aceste dezvoltări vor necesita îmbunătățirea calității experienței (Quality of Experience, QoE) , ce va permite utilizatorilor să experimenteze QoE de valoare mare în orice poziție geografică, nu doar alături de Stația de Bază (Base Station, BS), minimizând în același timp utilizarea resurselor radio și consumul de energie.

De fapt, predicțiile curente ale pieței sugerează dublarea utilizării Internetului pe telefonul mobil în 2015, ceea ce reprezintă o adevărată amenințare de congestie pentru rețelele celulare curente. Într-adevăr, analizele recente ale evoluției utilizării datelor mobile de către abonați au arătat că, începând cu 2007, a existat o creștere semnificativă a cererii de trafic. În multe țări cu piața de telecomunicații dezvoltată, consumul de date mobile a crescut exponențial din 2009 până în 2014 precum se poate vedea și în Figura 2.2.

Traficul tradițional asimetric – cu mai multe date în Downlink (DL) decât în Uplink (UL) – devine pe zi ce trece tot mai simetric. Creșterea utilizării sistemelor wireless orientează industria să caute noi metode pentru a sprijini creșterea capacității rețelelor celulare, ceea ce reprezintă numărul utilizatorilor serviți sau biții transmiși prin interfața aer.

Decizia de a adopta aceste metode, care ar putea implica dezvoltarea unui standard specific sau adoptarea unei tehnologii complet noi printr-o schimbare de standard, a fost văzută ca fiind strategică și decizia nu este bazată doar pe baze pur tehnice sau economice. Influența factorilor economici și politici – prin jucători guvernamentali și industriali influenți – este incontestabilă.

Figura 2.2 Creșterea exponențială a traficului de date mobile. Sursa: [1]

2.2 Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)

3GPP UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) este unul din standardele generației a treia de comunicație radio mobilă (3G), succesor al generației a doua GSM bazată pe tehnologia celulară care mai include GPRS, și EDGE. Deși UMTS utilizează o interfață aer total diferită, elementele rețelei nucleu au migrat spre cerințele UMTS prin introducerea GPRS și EDGE. Prin această cale tranziția de la arhitectura GSM spre arhitectura 3G UMTS nu a necesitat investiții instantanee foarte mari. Unul dintre obiectivele majore ale UMTS a fost capabilitatea de a transporta date, arhitectura rețelei UMTS a fost proiectată pentru a permite o considerabilă îmbunătățire în performanță a datelor decât cea furnizată de GSM.

Arhitectura rețelei UMTS poate fi divizată în trei elemente principale:

1. Terminalul utilizatorului (UE)

2. Rețeaua de acces radio (UTRAN)

3. Rețeaua nucleu (CN)

Echipamentul de utilizator (UE) este format dintr-o cartelă denumită USIM și echipamentul mobil, ME. Datorită numărului mare de aplicații și facilităților pe care le suportă, s-a decis utilizarea numelui de echipament de utilizator mai degrabă decât numele de mobil.

Ansamblul rețelelor de acces radio, adică toate Subsistemele Rețelelor Radio (RNS) este cunoscut sub numele de UTRAN (UMTS Radio Access Network).

Subsistemul Rețelelor Radio cuprinde două componente importante:

Controlerul Rețelei Radio (RNC): Acest element al subsistemului rețelei radio controlează Node B-urile conectate la el. RNC-ul răspunde de administrarea resurselor radio și de unele funcții de administrare a mobilității, deși nu toate. Este deasemenea și punctul în care datele sunt criptate/decriptate pentru a proteja utilizatorul de interceptări nedorite.

Node B: Este termenul utilizat în UMTS care denotă echipamentul de emisie/recepție de la stația de bază (transceiver). El este utilizat pentru a comunica cu echipamentele utilizatorilor din interiorul celulei.

În scopul de a facilita eficiența transferului (handover) între Node B-urile sub controlul a diferitor RNC-uri, RNC-ul nu comunică doar cu Rețeaua Nucleu, dar și cu RNC-urile vecine.

Figura 2.3 Arhitectura rețelei UMTS. Sursa: [3]

Arhitectura Rețelei Nucleu în UMTS este o migrație de la cea utilizată în GSM cu elemente suplimentare suprapuse pentru a permite funcționalitățile adiționale cerute de UMTS.

Din perspectiva căilor diferite prin care traficul util poate fi transportat, rețeaua nucleu UMTS poate fi împărțită în două arii diferite:

Elemente de comutație a circuitelor: Aceste elemente sunt bazate în primul rând pe entitățile din rețeaua GSM și transportă datele în modul comutație de circuite, adică canal de comunicație permanent pe durata unui apel.

Elemente de comutație a pachetelor: Aceste entități ale rețelei sunt proiectate pentru a transporta date sub formă de pachete. Aceasta permite un factor de utilizare a rețelei mult mai mare întrucât capacitatea poate fi împărțită pe utilizatori și datele transportate ca pachete sunt rutate potrivit destinației.

Unele elemente ale rețelei, în particular cele care sunt asociate autentificării utilizatorului sunt comune pentru ambele domenii și operează la fel ca și în GSM.

Elemente de comutație a circuitelor

Elementele de comutație a circuitelor din arhitectura rețelei nucleu UMTS include următoarele entități de rețea:

Centrala mobilă de comutație (MSC): Aceasta este în esență acceași ca și în GSM, și administrează apelurile cu comutare de circuite în curs.

MSC poartă (GMSC): Aceasta este interfața efectivă către rețelele externe.

Elemente de comutație a pachetelor

Elementele de comutație a pachetelor din arhitectura rețelei nucleu UMTS include următoarele entități de rețea:

Nodul Suport pentru Serviciul GPRS (SGSN): După cum indică și numele, aceasta a fost prima entitate introdusă la dezvoltarea GPRS, și utilizarea sa a fost transferată în arhitectura rețelei UMTS. SGSN furnizează o serie de funcții în arhitectura rețelei UMTS:

Administrarea mobilității: Când un UE se atașează de domeniul comutației de pachete al rețelei centrale UMTS, SGSN generează informația MM (managementul mobilității) bazată pe locația curentă a echipamentului.

Administrarea sesiunii: SGSN administrează sesiunea de date furnizând calitatea serviciului necesar și, de asemenea, gestionează așa numitul context PDP (Packet Data Protocol), adică țevile prin care sunt transmise datele.

Interacțiunea cu alte arii ale rețelei: SGSN este capabil să-și administreze elementele din rețea doar comunicând cu alte arii ale rețelei, de exemplu MSC și alte arii de comutație a circuitelor.

Facturarea: SGSN este responsabil și de facturare. Aceasta se realizează prin monitorizarea fluxului de date al utilizatorului prin rețeaua GPRS. Înregistrarea Detaliilor Apelului (CDR) este generată de SGSN înainte de a fi transferată entităților de taxare (CGF).

Nodul Suport Poartă GPRS (GGSN): Ca și SGSN, această entitate a fost introdusă întâi în rețeaua GPRS. GGSN este elementul central în rețeaua cu comutație de pachete UMTS. El manevrează inter-operabilitatea între rețeaua cu comutație de pachete UMTS și rețelele externe cu comutație de pachete (Internet), și poate fi considerat ca fiind un router foarte sofisticat. În operațiuni, când GGSN recepționează datele adresate unui utilizator specific, verifică dacă utilizatorul este activ și după aceasta transmite pachetul mai departe către SGSN-ul care deservește utilizatorul particular.

Elemente comune

Elementele comune din arhitectura rețelei centrale UMTS includ următoarele entități de rețea:

Registrul de localizare al abonaților proprii (HLR): Această bază de date conține toate informațiile administrative despre fiecare abonat împreună cu ultima localizare cunoscută. Astfel, rețeaua UMTS este capabilă să ruteze apelurile la RNC-ul/NodeB-ul relevant. Când un utilizator pornește echipamentul, el este înregistrat în rețea și se poate determina cu care Node B poate comunica astfel încât apelurile de intrare să fie rutate în mod corespunzător. Chiar și când un UE este inactiv (dar echipamentul este pornit) el se re-înregistrează periodic pentru a se asigura că rețeaua (HLR) este conștientă de ultima sa pozițe în rețea.

Registrul pentru identificarea echipamentelor mobile (EIR): EIR este identitatea care decide dacă unui echipament al abonatului îi este permis accesul în rețea. Fiecare echipament conține un număr cunoscut ca Identitatea Internațională a Echipamentului Mobil (IMEI). Acest număr, după cum am menționat mai sus, este instalat în echipament și verificat de rețea în timpul înregistrării.

Centrul de autentificare (AUC): AUC este o bază de date protejată, care conține o cheie secretă, conținută și în cartela USIM a abonatului.

UMTS utilizează CDMA de bandă largă (WCDMA) ca standard de transmisie radio. Acesta utilizează un canal cu banda de 5MHz. Utilizând această bandă are capacitatea de a transporta 100 apeluri telefonice simultan, sau este capabilă să transporte date cu viteze până la 2 Mbps în formatul original. Totuși odată cu îmbunătățirile ulterioare HSDPA și HSUPA incluse în release-urile următoare ale standardului, viteza de transmitere a datelor a crescut până la 14.4 Mbps. [4]

2.3 Long Term Evolution (LTE)

Tehnologia LTE (Long Term Evolution), succesorul tehnologiei UMTS și HSPA, este calea spre servicii celulare de viteză mare.

În primele sale forme este o tehnologie 3G sau ceva ce se mai numește și tehnologie 3.99G, dar în dezvoltările ulterioare a migrat spre standardul 4G complet și este cunoscut sub numele de LTE Advanced.

Implementarea LTE a condus la o creștere rapidă în utilizarea datelor transportate de serviciile celulare, și această creștere devine din ce în ce mai mare, fiind numită “explozia de date”. Pentru a satisface cererile în creștere a vitezelor mari de date și a întârzierilor mici, este necesară o dezvoltare ulterioară a tehnologiilor celulare.

LTE a introdus o serie de tehnici noi în comparație cu sistemele celulare precedente. Acestea au permis LTE-ului să fie capabil să opereze mai eficient în ceea ce privește utilizarea spectrului, și, de asemenea, să ofere date de viteză mai mare.

OFDM (Multiplexarea cu diviziune în frecvență ortogonală): Tehnologia OFDM a fost introdusă în LTE deoarece permite transmiterea eficientă a unei benzi largi de date, oferind în același timp un grad ridicat de rezistență la reflecții și interferențe. Schemele de acces diferă pe legătura ascendentă de cea descendentă: OFDMA (Acces Multiplu cu Diviziune în Frecvență Ortogonală) este utilizată pe legătura descendentă, iar SC-FDMA (Acces Multiplu cu Diviziune în Frecvență cu o Singură Purtătoare) este utilizată pe legătura ascendentă. SC-FDMA este utilizată datorită raportului putere de vârf-putere medie (PAPR) mai mic, deci o putere mai constantă, ceea ce implică o eficiență mai bună a amplificatoarelor de putere RF în terminalele mobile – un factor foarte important pentru puterea bateriei echipamentului.

MIMO (Multiple Intrări-Multiple ieșiri): Una dintre principalele probleme întâmpinate în sistemele de telecomunicații precedente este cea a multiplelor semnale la antena de recepție provenite de la numeroasele căi de propagare. Utilizând MIMO, aceste căi adiționale pot fi folosite ca un avantaj pentru a crește rata de transfer.

Când se utilizează MIMO, este necasar să se folosească mai multe antene pentru a permite diferitelor căi să fie diferențiate. Prin urmare schemele care pot fi utilizate sunt matricile de antene 2×2, 4×2 sau 4×4. Deși este relativ ușor de adăugat mai multe antene la stația de bază, același lucru nu este adevărat și la telefonul mobil, unde dimensiunile echipamentului limitează numărul antenelor, care trebuie plasate la cel puțin o jumătate de lungime de undă una de alta.

SAE (Evoluția Arhitecturii Sistemului): Din cauza ratelor mari de date și a întârzierilor mici necesare în LTE, este nevoie de o evoluție a arhitecturii sistemului pentru a permite atingerea îmbunătățirilor în performanță. O schimbare se regăsește în numărul de funcții care anterior erau administrate de rețeaua nucleu, iar acum sunt transferate la periferie. În esență, aceasta oferă o arhitectură mult mai “plată” a rețelei. Prin această metodă întârzierile pot fi reduse, iar datele pot fi rutate mult mai direct către destinație.

SAE oferă multiple avantaje față de topologiile și sistemele anterioare utilizate pentru rețelele nucleu celulare:

1. Capacitatea datelor îmbunătățită: Datorită ratelor de descărcare a datelor de 100 Mbps, și concentrării sistemelor în jurul benzilor de date mobile, este necesar ca rețeaua să fie capabilă să manevreze cu nivele mult mai mari de date. Pentru a obține aceasta este necesar să se adopte o arhitectură de sistem care se pretează la astfel de nivele mari de transfer de date.

2. Arhitectură doar IP: Când a fost dezvoltat standardul 3G, vocea era încă transportată prin comutare de circuite. De atunci a existat o mișcare continuă către date IP. În concordanță cu noua arhitectură SAE, aceasta a adoptat o configurare a rețelei bazată doar pe IP.

3. Întârzieri mai reduse: Datorită nivelelor mai mari de interacțiune și răspunsurilor mult mai rapizi necesare, conceptele noii arhitecturi SAE au evoluat pentru a asigura nivele de întârziere reduse până la aproximativ 10 ms. Aceasta asigură că aplicațiile care utilizează LTE vor fi suficient de receptive.

4. OPEX și CAPEX redus: Un element cheie pentru fiecare operator este reducerea costurilor. Prin urmare, este esențial ca noua arhitectură să reducă ambele tipuri de cheltuieli: CAPEX (cheltuielile pentru investiții) și OPEX (cheltuielile operaționale). Noua arhitectură plată utilizată pentru SAE presupune că doar două tipuri de noduri sunt folosite. În plus față de aceasta, este introdus un nivel de configurație automată mai mare, ceea ce reduce timpul de instalare și de comisionare.

Se pot evidenția câteva principii comune utilizate în dezvoltarea rețelei LTE SAE:

un nod poartă comun și un punct de ancorare pentru toate tehnologiile.

arhitectură mai optimizată pentru planul utilzatorului cu doar două tipuri de noduri.

un sistem bazat doar pe IP, cu protocoale bazate pe IP utilizate pe toate interfețele.

divizare între planurile de control si de utilizator între MME (Entitatea de administrare a mobilității) și poarta de ieșire.

rețea de acces radio și o rețea nucleu divizată funcțional similar ca în WCDMA/HSPA.

integrarea cu tehnologiile de acces diferite de cele standardizate în 3GPP (de exemplu cdma2000, WiMAX, etc.) utilizând atât clientul cât și IP-ul mobil din rețea.

Elementul principal din rețeaua LTE SAE este ceea ce se numește EPC (rețeaua nucleu cu comutație de pachete evoluată). Acesta se conectează la eNodeB-uri după cum este arătat în Figura 2.4.

După cum se poate observa și în figură, LTE SAE Evolved Packet Core conține 5 elemente principale:

MME (Mobility Management Entity): MME este nodul central de control pentru rețeaua de acces LTE SAE, și conține un număr de funcții speciale:

Urmărirea terminalului mobil în modul pasiv (idle)

Figura 2.4 Arhitectura rețelei LTE. Sursa: [5]

Activarea/dezactivarea serviciilor

Alegerea unui SGW pentru UE

Transfer intra-LTE implicând localizarea nodului în rețeaua centrală

Interacțiunea cu HSS pentru autentificarea utilizatorului la conectare și implementarea restricțiilor pentru roaming

Acționează drept terminație pentru Non-Access Stratum (NAS)

Furnizează numere temporare pentru utilizatori

SAE MME acționează ca punct terminal pentru protecția prin cifrare pentru semnalizarea NAS. Ca parte a acestuia se ocupă, de asemenea, de gestionarea cheii de securitate.

Procedura de căutare (paging)

Interfața S3 care se termină în MME furnizează funcția pe planul de control pentru mobilitatea între rețeaua de acces LTE și rețeaua de acces 2G/3G.

În SAE MME, de asemenea, se termină interfața S6a pentru baza de date de origine (HSS) pentru utilizatorii aflați în roaming.

De asemenea, se observă că SAE MME furnizează un nivel considerabil de control global al funcționalităților.

SGW (Serving Gateway): SGW este un element al planului de date din LTE SAE. Scopul său principal este de a administra mobilitatea planului de date și, de asemenea, acționează ca element de frontieră între Rețeaua Radio de Acces (RAN) și rețeaua nucleu. SGW menține și legăturile de date între eNodeB-uri și PDN Gateway-uri. În acest fel SGW formează o interfață pentru rețeaua de pachete de date în E-UTRAN.

De asemenea, când utilizatorii se deplasează între arii deservite de eNodeB-uri diferite, SGW funcționeză ca un punct de ancorare al mobilității asigurând menținerea căii pentru date.

PGW (PDN Gateway): LTE SAE PDN Gateway furnizează conectivitatea între UE și rețelele de pachete de date externe, îndeplinind funcțiile unui punct de intrare/ieșire pentru datele utilizatorului. UE poate avea conectivitate cu mai mult de un PGW pentru a accesa multiple PDN-uri.

PCRF (Policy Control and Charging Rules Function): Acesta este numele generic al entității din LTE SAE EPC care detectează fluxul de servicii și impune politica de tarifare. Pentru aplicațiile care necesită o politică de tarifare dinamică, este utilizat un element de rețea numit AF (Applications Function). [7]

2.4 Funcționarea serviciului de date în rețeaua 3G/4G

În Figura 2.5 este ilustrat o mică porțiune din ce se întâmplă în timpul transmiterii de date.

Figura 2.5 Transferul de pachete de date. Sursa:[3]

Ne asumăm posibilitatea ca UE să fie în continuă mișcare în interiorul ariei UTRAN. În aceste circumstanțe aplicația utilizatorului din UE dorește să transmită pachete de date spre rețea (uplink). Deoarece UE este în continuă mișcare, el trebuie sa transmită întâi actualizarea celulei. Prin această acțiune, UE asigură că informația de localizare a sa în SRNC este validă – este nevoie de o acuratețe la nivel de celulă.

După actualizarea celulei UE este capabil să ceară activarea contextului PDP prin intermediul celulei curente și poate fi alocată o purtătoare radio de acces (RAB) pentru transferul pachetelor de date. Când se deschide sesiunea de transfer de pachete, UE transmite pachetele de date pe legătura ascendentă, care ajung întâi la SRNC pe legătura radio formând o purtătoare radio pentru această sesiune. Traficul de pachete este tunelat între RNC și GGSN utilizând protocolul GTP-U; fizic, acest tunel constă din două părți: purtătoarea Iu peste interfața Iu și domeniul PS între SGSN și GGSN. Tunelul se termină în GGSN, de unde pachetele de date ale utilizatorului sunt rutate mai departe la o rețea de pachete externă, potrivit metodei descrise în parametrul orientat pe conexiune al contextului PDP. Acest parametru poate avea valori precum Protocolul Punct la Punct (PPP) și X.25. Atunci când nu mai există nimic de transferat, contextul PDP este dezactivat și RAB-ul este eliberat.

Pe legătura descendentă GGSN poate realiza mai târziu că pachetele vin din alte rețele. Aceasta declanțează procedura SM: Notificarea Cererii PDU, ceea ce conduce la activarea contextului PDP inițiată de rețea. La primirea mesajului SM: Notificarea Răspunsului PDU SGSN trimite semnalul de localizare către RNC-ul care controlează aria de rutare (RA) în care UE a transmis ultimul său mesaj de actualizare a ariei de rutare (RAU). RNC-ul trimite mesajul de localizare mai departe spre UE ca RRC Localizarea Tip 1. Deoarece UE este în continuă mișcare, trebuie să efectueze procedura de actualizare a celulei din nou astfel încât în RNC să fie înregistrată celula validă.

După actualizarea celulei, contextul PDP este activat, precum și RAB, și pachetele de date încep să circule de la GGSN spre UE. Dacă UE are de transmis pachete, ele pot fi transmise în același timp. Pachetele de date transferate pe direcția ascendentă sunt tratate după cum am descris mai sus. Când nu mai există date spre a fi transferate contextul PDP este deactivat și RAB eliberat.[3]

2.5 Limitările existente in rețelele 3G/4G

Motivele principale care contribuie la imposibilitatea infrastructurei rețelei 3G/4G de a susține cerințele viitoare de bandă sunt următoarele:

1. Trafic crescător în rețea: rețelele 3G/4G oferă servicii de date foarte bogate și consumul de bandă din această cauză nu tinde să încetinească. Să vedem câteva statistici care vin în suportul acestui punct:

Potrivit Cisco Systems, în 2015 traficul va ajunge de 26 ori mai mare în comparație cu cel din 2010, principala cauză fiind serviciile video mobil.

Traficul de date mobile va atinge o rată de creștere anuală de 92% din 2010 până în 2015, ajungând la 6.3 hexabytes pe lună până în 2015. Cerințele de capacitate de date cresc cu circa 150% pe an.

Cercetările Juniper estimează că costul livrării datelor mobile poate crește de 7 ori până la 370 bilioane de dolari până în 2016.

Astfel, folosind infrastructura și arhitectura curentă a rețelei 3G/4G, costul pentru a suporta creșterile anticipate în traficul generat de serviciile de date mobile este nesustenabil. Această explozie anticipată de trafic de date în rețelele 3G/4G a cauzat o necesitate imediată pentru operatori de a se gândi serios la o alternativă astfel încât și vocea, și serviciile de date să poată funcționa optimal.

2. Utilizarea în creștere a telefoanelor inteligente (smartphone): Adopția accelerată a smartphone-urilor de către utilizatorii de telefoane mobile, în combinație cu o rată de utilizare mult mai mare a acestuia în comparație cu terminalele uzuale este una dintre cauzele majore pentru creșterea neașteptată de trafic. Operatorii sunt martorii unor creșteri masive ai traficului de date ca urmare a creșterii numărului de Smartphone-uri și a altor dispozitive care oferă acces la internet. Să vedem câteva statistici în suportul acestui punct:

Potrivit cercetărilor Juniper cantitatea de trafic de date mobile generate de smartphone-uri și tablete va depăși 14 000 de petabytes până în 2015, echivalentul a circa 18 miliarde de descărcări de filme și 3 trilioane de melodii.

Datele din Informa Telecoms and Media indică faptul că numărul de smartphone-uri în utilizare a crescut cu 32% în anul 2010 pe când anticipările erau de 22%.

În țările dezvoltate se înregistrează cel mai mare număr de utilizatori mobili care au acces la internet de pe telefon. De fapt, în USA și Europa de Vest acest număr este de aproximativ 90%.

98% din utilizatorii de iPhone utilizează serviciul de date al telefonului. Utilizatorii de iPhone sunt de patru ori mai predispuși la utilizarea internetului decât un utilizator obișnuit, de cinci ori să downloadeze o aplicație, de șase ori să vizualizeze un video, și de șapte ori să utilizeze servicii bazate pe localizare.

Mai presus de toate, dintre toate terminalele în utilizare până în 2010, smartphone-urile reprezentau doar 13%, dar realizau aproape 78% din totalul de trafic mobil.

3. Spectrul radio este costisitor și limitat: Toate sistemele de comunicații necesită o cantitate anumită de bandă de frecvență pentru operare. În diferite părți ale lumii, diferite organizații alocă părți din spectrul total de frecvențe pentru diferite utilizări. De asemenea, în diferite părți ale lumii, sunt necesare înțelegeri internaționale pentru ca sistemele de comunicații din țările vecine să nu interfereze între ele. De când comunicațiile fără fir (telefonie fără cordon, telefonie celulară, internet wireless, GPS, etc.) au devenit predominante, alocarea spectrului liber pentru fiecare tehnologie a devenit din ce în ce mai litigiosă. Fiecare comunitate de utilizatori (de obicei fabricanții de echipamente wireless) își dorește o bandă mai mare pentru a fi capabili să vândă și să supervizeze mai multe unități.

Deci rezultatul evident este “limitarea spectrului”. Aceasta necesită ca alocarea resurselor de comunicație radio să se facă judicios pentru satisfacerea nevoilor noastre ulterioare de rețele de comunicații mobile din ce în ce mai dense, rapide și flexibile. Din cauza acestei limitări, organizațiile care alocă acest spectru furnizorilor îi taxează din greu.

Localizarea problemei în rețea

Figura 2.5 arată exact unde apare această problemă în concordanță cu infrastructura rețelei 3G/4G și posibilele soluții.

Figura 2.5 Localizarea problemelor în rețea. Sursa: [8]

Există două puncte de “gâtuire”, interfața radio și rețeaua de transport (punctul 1 și 2 din figură). Aceștia sunt doi factori care limitează cantitatea de trafic de date care poate ajunge din Internet către utilizator. Creșterea capacității interfeței radio și a capacității de transport pot soluționa problema temporar, dar cu siguranță nu o pot soluționa definitiv.

Soluții posibile

Tehnicile posibile pentru a rezolva această problema și dificultățile întâmpinate sunt după cum urmează:

1. Scalarea: Se referă la construirea mai multor stații de bază sau/și creșterea capacității de transport. Dar această abordare necesită mai multă infrastructură și de aici mai multe investiții, ceea ce implică direct cost mai mare per MB. În plus, cercetările dezvăluie că top 3% din utilizatorii de smartphone-uri consumă 40% din totalul de trafic de date realizat de smartphone-uri; utilizatorul principal va obține un beneficiu mai mic în timp ce consumatorii mari vor obține în continuare o bandă mai mare. Deci, scalarea nu este o soluție, mai degrabă aceasta doar maschează problema.

2. Optimizarea: Se referă la optimizarea interfaței radio și rata utilizării rețelei de transport. Începând cu tehnologia 1G până la 4G s-au realizat numeroase actualizări tehnologice pentru optimizarea utilizării interfeței radio, dar există cu siguranță o limită în numărul biților care pot fi împachetați pe undele radio. În plus, rata de consum a datelor va continua să depășească actualizarea tehnologiilor întrucât o serie de noi servicii sunt adăugate la fiecare actualizare. De asemenea, orice actualizare tehnologică conduce la instalarea unor noi echipamente, ceea ce iar implică noi investiții.

Rata utilizării rețelei de transport poate fi, de asemenea, optimizată și una din metodele care pot fi utilizate este memorarea unităților de date frecvent utilizate. Este o soluție promițătoare întrucât ajută la controlul fluxului, dar implică două provocări:

a) Inspectarea și corelarea intensivă a pachetelor poate încetini rețeaua.

b) Probleme de confidențialitate, întrucât utilizatorului nu-i place să fie controlat.

3. Mobile Data Offloading (MDO): Presupune folosirea unor tehnologii de rețea (preferabil “complementare”) pentru livrarea datelor destinate inițial pentru utilizatorii celulari. Aceasta furnizează o cale alternativă de livrare wireless cu performanțe mai bune în capacitate. Aceste rețele pot funcționa împreună cu rețelele celulare macro ca niște rețele secundare care operează fie independent, fie ca rețele de acoperire. Este un nou cuvânt-cheie în industria telecom, care se consideră că în curând va deveni un segment separat generator de venituri.

MDO a apărut ca o soluție promițătoare, fiind atât necesar, cât și profitabil. Pentru utilizatorii finali offloading-ul contribuie la creșterea benzii disponibile și reduce costul serviciului de date. Pentru operatori contribuția principala se regăsește în reducerea congestiei în rețeaua celulară. Din cauza numărului mare de operatori în telecomunicații veniturile merg în plata folosirii exclusive a spectrului, offloading-ul de asemenea ajută la reducerea costului fără a afecta serviciile.

Tehnologii pentru Mobile Data Offloading

Cele două tehnologii care candidează pentru Mobile Data Offloading sunt:

1) Femtocelulele: Sunt stații de bază aferente unor celule de mici dimensiuni, care se conectează la rețeaua furnizorului de servicii prin bandă largă, și, tipic, sunt proiectate pentru utilizarea în afacerile mici sau în casă. Aceasta permite operatorilor să-și extindă serviciile în cazurile în care banda ar fi fost limitată sau indisponibilă.

Femtocelule se folosesc de spectrul licențiat și oferă acoperire mai bună în interiorul clădirilor. Ele sunt o extensie naturală a rețelei celulare principale ceea ce le permite să suporte majoritatea serviciilor oferite de operator. Deoarece interfața radio în femtocelule este identică cu cea din rețelele celulare, la fel și funcțiile de control sunt identice, aceasta nu necesită ca terminalele mobile să conțină o unitate radio WiFi adițională activă. În plus, femtocelulele permit un roaming mai ușor și fără întreruperi; pot gestiona calitatea serviciilor furnizate și oferă o îmbunătățire duratei de viață a bateriei.

Principala provocare în cazul femtocelulelor constă în faptul că acestea nu au atins încă o disponibilitate pe scară largă. Implementarea femtocelulelor este mult mai complicată întrucât ele necesită dispozitive scumpe din cauza că piața este încă destul de mică și din cauza problemelor de utilizare a spectrului licențiat. Pot exista interferențe între rețelele macro și femtocelule, și între femtocelulele vecine. Cel mai important este faptul că ele încă utilizează același spectru al operatorilor de servicii celulare pentru a satisface nevoile de date mobile pentru abonați.

2) WiFi: Bazat pe tehnologia IEEE 802.11, este un nume popular penru o tehnologie de rețea fără fir, care utilizează undele radio pentru a furniza internet fără fir de mare viteză și conexiunui de rețea. WiFi utilizează spectrul nelicențiat și oferă servicii cu o viteză de date mult mai mare decât serviciile oferite în 3G.

Capitolul 3

Interconectarea sistemelor 3G/4G cu rețelele WiFi   

Din punctul de vedere al rețelelor celulare, interoperabilitatea între rețelele mobile și rețelele WiFi trebuie să suporte:

Access simultan la ambele rețele 3GPP și non-3GPP

Conectivitate fără întreruperi între rețelele 3GPP și non-3GPP

Mecanisme de autentificare și securitate unificate

Trafic offloading

Pentru ca toate cele de mai sus să fie îndeplinite, echipamentul utilizatorului trebuie să fie conștient de prezența rețelelor non-3GPP în vecinătatea sa, împreună cu informațiile despre politicile operatorului. În timp ce un UE contemporan poate localiza ușor rețeaua WiFi din vecinătatea sa, el nu este în măsură să cunoască acordurile de roaming și interoperabilitate individuale ale operatorului mobil cu rețelele WiFi din vecinătate. În prezența a multiple rețele WiFi echipamentul mobil poate să nu fie capabil să efectueze selecția corespunzătoare și va decide doar pe baza puterii recepționate.

3GPP a realizat necesitatea dezvoltării unui mecanism pentru interoperabilitatea între rețelele 3GPP și non-3GPP, care va mări viteza de convergență a rețelelor celulare și rețelelor wireless spre LTE. Funcțiile de selecție și descoperire a rețelei de acces (ANDSF) au fost introduse în 3GPP Rel. 8. Este o entitate opțională din EPC și are funcția principală de a asista echipamentele mobile în descoperirea și selecția rețelelor non-3GPP pentru trafic offload.

3.1 Standardul 802.11 (WiFi)

Principalul standard pentru rețelele LAN fără fir (WLAN) este 802.11, cunoscut sub numele comercial – WiFi. El este utillizat pentru a conecta clienții, precum laptop-urile sau smartphone-urile, la o altă rețea, precum intranetul unei companii sau internetul. Fiecare client este asociat cu un AP (Access Point), care este conectat la rândul lui la o altă rețea. Clienții trimit și primesc pachete prin intermediul AP-ului.

Toate protocoalele standardului 802, inclusiv 802.11 și Ethernet, au o anumită similitudine a structurii. Imaginea stivei de protocoale parțială utilizată în 802.11 este dată în Figura 3.1.

Stiva este aceeași atât pentru clienți, cât și pentru AP-uri. Nivelul fizic corespunde destul de bine nivelului fizic din stiva OSI, dar nivelul legătură de date în toate protocoalele 802 este împărțit în două sau mai multe subnivele. În 802.11, subnivelul MAC (Medium Access Control) determină modul de alocare al canalului, ce presupune ordinea în care transmit utilizatorii. Deasupra acestuia este subnivelul LLC (Logical Link Control), care are funcția de a ascunde diferențele dintre diferite variante ale standardului 802.

Nivelul Fizic

Fiecare tehnică de transmisie face posibilă transmiterea unui cadru MAC peste interfața aer de la o stație la alta. Totuși ele diferă prin tehnologia utilizată și prin vitezele obținute.

Figura 3.1 Stiva de protocoale parțială a standardului 802.11. Sursa: [9]

După cum se poate observa și în Tabelul 3.1, toate tehnicile 802.11 pentru transmiterea semnalelor utilizează benzile de frecvență ISM de 2.4 GHz sau de 5 GHz. Aceste benzi au avantajul de a fi nelicențiate și, prin urmare, sunt valabile gratuit pentru orice transmițător care este dispus să suporte anumite restricții, precum puterea radiată maximă de aproximativ 1 W (deși pentru rețelele wireless LAN este tipică o putere de 50 mW). Însă, din păcate, aceste benzi sunt utilizate și de fabricanții de telefoane fără cordon, de cuptoare cu microunde, și de multe alte dispozitive, care concurează cu laptop-urile și smartphone-urile pentru același spectru.

Tabelul 3.1 Standardele 802.11

Toate metodele de transmitere definesc rate binare multiple. Ideea este că pot fi utilizate diferite rate în funcție de condițiile curente. Dacă semnalul este slab, se poate folosi o rată binară mai mică, iar dacă semnalul este puternic se poate folosi o rată binară mai mare. Această ajustare se numește adaptarea ratei.

Începând cu standardul 802.11n pot fi utilizate până la patru antene pentru a putea transmite patru fluxuri de informație în același timp. Semnalele din fluxuri interferează la receptor, dar pot fi separate utilizând tehnica MIMO.

Subnivelul MAC

Pentru evitarea coliziunilor, 802.11 utilizează protocolul numit CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance). Acest protocol este similar din punct de vedere conceptual cu cel utilizat în Ethernet, CSMA/CD (CSMA with Collision Detection). Pentru a evita coliziunile acesta “ascultă” canalul înainte de a transmite și utilizează un mecanism de așteptare exponențial dacă are loc o coliziune.

Figura 3.2 Transmiterea unui cadru utilizând CSMA/CA. Sursa: [9]

În Figura 3.2 este arătat un exemplu de cronologie a transmiterii cadrelor utilizând CSMA/CA. În acest exemplu, stația A este prima care dorește să transmită un cadru. În timp ce A transmite, stațiile B și C devin gata pentru a transmite și ele. Ele detectează că canalul este ocupat și așteaptă până acesta se eliberează. După ce A recepționează un mesaj de confirmare, canalul devine liber. Oricum, pentru evitarea coliziunilor, în loc să transmită imediat ce canalul se eliberează, B și C mai așteaptă o perioadă de timp (backoff). C așteaptă o perioadă de timp mai scurtă și de aceea transmite prima. B întrerupe numărătoare la sesizarea utilizării canalului de către C, și o repornește după ce C recepționează mesajul de confirmare. După terminarea perioadei de backoff, B începe transmisiunea.

Acest mod de operare este denumit DCF (Distributed Coordination Function), deoarece fiecare stație acționează independent, fără a avea nevoie de un control central.

Pentru a reduce ambiguitatea în privința cine urmează să transmită, standardul 802.11 definește două mecanisme de detecție a purtătoarei: fizică și virtuală.

Detecția fizică implică doar verificarea mediului în vederea constatării unei eventuale transmisiuni. Detecția virtuală implică faptul că fiecare stație menține o înregistrare logică a disponibilității canalului prin urmărirea vectorului NAV (Network Allocation Vector). Fiecare cadru conține un câmp NAV care spune cât timp îi va lua secvenței din care face parte acest cadru să se finalizeze.

Teoretic, în utilizarea rețelelor LAN există două tipuri de probleme:

problema terminalului ascuns, apare atunci când o stație nu este capabilă să detecteze stația care dorește să transmită, deoarece aceasta este prea departe.

problema terminalului expus, apare atunci cand două stații apropiate vor să transmită, dar stațiile care recepționează se află în aria de acoperire doar a unei singure stații.

Se folosește un mecanism opțional pe baza mesajelor RTS/CTS (Request To Send/Clear To Send) care utilizează vectorul NAV pentru a preveni stațiile să transmită cadre în același timp cu teminalele ascunse.

Figura 3.3 O rețea WLAN a) A și C sunt stații ascunse atunci când transmit spre B.

b) B și C sunt stații expuse atunci când transmit spre A și D

În practică, RTS/CTS nu este utilizat, deoarece acesta doar încetinește operațiunile; este inutil pentru cadre scurte și în rețelele ce folosesc AP-uri (care au conectivitate cu toate terminalele).

CSMA/CA cu detecție fizică și virtuală este protocolul principal al standardului 802.11. Însă mai există câteva mecanisme utile folosite în practică:

adaptarea ratei, pentru a mări probabilitatea unei transmisiuni de succes într-un mediu nesigur (SINR mic) se folosește o rată de transmisie mai mică.

fragmentarea sau transmiterea cadrelor de dimensiuni mici; se folosesc, de asemenea, în scopul creșterii probabilității unei transmisiuni de succes.

mecanisme de economisire a energiei:

bazate pe cadre “beacon”.

APSD (Automatic Power Save Delivery).

spațierea variabilă a cadrelor pentru a asigura calitatea serviciilor (QoS), trucul constă în folosirea unui interval diferit de spațiere pentru diferite tipuri de cadre.

Figura 3.4 Detecția virtuală a purtătoarei utilizând CSMA/CA

Structura cadrului în standardul 802.11

Standardul 802.11 definește trei tipuri de cadre: de date, de control, și de management. Fiecare dintre acestea conține un antet cu o varietate de câmpuri utilizate în subnivelul MAC. Un exemplu de cadru de date este ilustrat în Figura 3.5.

Figura 3.5 Structura cadrului de date în standardul 802.11

Servicii

Standardul 802.11 definește serviciile pe care clienții, AP-urile, și rețeaua la care se conectează trebuie să le respecte în conformitate cu seturile de specificații wireless LAN. Aceste servicii formează câteva grupuri:

Servicii de asociere, sunt utilizate de stațiile mobile pentru a se conecta la AP-uri.

Servicii de reasociere, permit unei stații să-și schimbe AP-ul cu unul preferat.

Servicii de dezasociere, permit stației sau AP-ului să rupă legătura.

Servicii de autentificare, înainte de a trimite cadre via AP, stațiile trebuie să se autentifice întâi. Autentificarea se poate face în diferite moduri în dependență de schema de securitate aleasă.

autentificare deschisă – nu se cere nici o autentificare, nu se oferă nici o securitate a datelor.

WEP (Wired Equivalent Privacy) – este un mecanism de autentificare de nivel 2 bazat pe o cheie pre-cunoscută, este ușor de spart, dar furnizează securitatea datelor de bază. Autentificarea are loc înainte de asociere.

WPA/WPA2 Personal (WiFi Protected Access) – este, la fel, un mecanism de autentificare de nivel 2 bazat pe o cheie precunoscută. Furnizează securitatea datelor, dar accesul la rețea este ușor de obținut după ce se află cheia pre-cunoscută.

WPA/WPA2 Enterprise – mecanism de autentificare de nivel 2 bazat pe autentificarea 802.1x, care utilizează protocolul EAP (Extensible Authentication Protocol) și un server RADIUS (Remote Authentication Dial In User Service).

Autentificarea bazată pe portalul Web – este o autentificare la nivelul 3, unde clientul se autentifică utilizând portalul Web, ceea ce nu furnizează o securitate a datelor nativă.

Servicii de planificare a traficului asigurând calitatea serviciilor (QoS).

Serviicii de control al puterii de transmisie.

Servicii de selectare dinamică a frecvenței.

EAP și RADIUS

EAP este un cadru de autentificare folosit pentru transportul și folosirea unor materiale cheie, și a unor parametri generați de metodele EAP. EAP nu este un protocol pe bază de cablu; în schimb el doar definește formatul mesajelor. Fiecare protocol care utilizează EAP definește o cale pentru încapsularea mesajelor EAP în interiorul mesajelor acelui protocol. Principalele metode EAP sunt: LEAP (Lightweight Extensible Authentication Protocol), TLS (Transport Layer Security), TTLS (Tunneled Transport Layer Security), SIM (Subscriber Identity Module, pentru GSM), AKA (Autentication and Key Agreement, pentru UMTS).

RADIUS este un protocol de rețea care furnizează managementul centralizat al Autentificării, Autorizării și Contorizării (AAA) pentru utilizatorii care se conectează și utilizează un serviciu de rețea. RADIUS este un protocol client/server care rulează în nivelul aplicație, utilizând UDP pentru transport.

Protocolul DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)

Utilizând DHCP, fiecare rețea trebuie să conțină un server DHCP care să fie responsabil de configurare. Când un terminal este pornit, el conține încorporată în placa de rețea o adresă Ethernet sau altă adresă de nivel 2, dar nu și o adresă IP. Asemănător cu protocolul ARP, terminalul difuzează o cerere pentru o adresă IP în rețea. Aceasta se realizează utilizaând pachetul DHCP DISCOVER. Acest pachet trebuie să ajungă la serverul DHCP. Dacă acest server nu este direct conectat la rețea, routerul va fi configurat să recepționeze pachetele DHCP difuzate și să le transmită spre serverul DHCP, oriunde ar fi localizat acesta.

Când serverul primește cererea, alocă o adresă IP liberă și o transmite terminalului gazdă printr-un pachet DHCP OFFER (care poate fi deasemenea transmis prin router). Pentru a putea face acest lucru chiar și când terminalul gazdă nu are o adresă IP, serverul îl identifică utilizând adresa Ethernet a acestuia (care este transportată în pachetul DHCP DISCOVER). Acest schimb de mesaje este ilustrat în Figura 3.x.

Figura 3.6 Alocarea automată a adresei IP utilizând protocolul DHCP. Sursa: [1]

O problemă ce poate apărea atunci când se utilizează alocarea automată a adresei IP dintr-o mulțime de adrese, constă în cât timp poate fi alocată o adresă IP unui utilizator. Dacă stația gazdă părăsește rețeaua și nu întoarce adresa IP serverului DHCP, această adresă va fi pierdută pentru totdeauna. După o perioadă de timp, o mulțime de adrese pot fi pierdute. Pentru a preveni această situație, asignarea adreselor IP se face pentru o perioadă fixă de timp, tehnică denumită „arendare”. Chiar înainte ca perioada de arendare să expire, stația gazdă trebuie să ceară o reînnoire DHCP. Dacă nu este facută această cerere sau cererea este respinsă, stația gazdă nu va mai fi capabil să utilizeze adresa IP oferită mai devreme.

Protocolul DHCP este descris în RFC 2131 și RFC 2132. El este utilizat pe larg în Internet pentru a configura tot felul de parametri în adiție furnizării adresei IP stațiilor gazdă. Atât în rețelele business, cât și în rețelele de acasă, DHCP este utilizat de ISP pentru setarea parametrilor dispozitivelor prin legătura de acces la Internet, astfel încât utilizatorii nu au nevoie de a apela la ISP pentru a obține aceste informații. Exemple comune de parametri care sunt configurați utilizând DHCP sunt masca de rețea, adresa IP a porții de ieșire implicite, și adresa IP a serverului DNS.

NAT – Network Address Translation

Adresele IP sunt insuficiente. Un ISP poate avea o adresă /16, ceea ce îi permite conectarea a 65 534 de utilizatori. Dacă are mai mulți clienți decât acest număr, atunci are o problemă.

Această insuficiență a condus la tehnici de utilizare a adreselor IP mai moderat. O abordare constă în asignarea adresei IP unei stații în mod dinamic atunci când aceasta dorește să utilizeze rețeaua, și a întoarce adresa IP atunci când aceasta devine inactivă. Prin această cale, o singură adresă /16 poate asigura până la 65 534 utilizatori activi.

Această strategie se manfestă destul de bine în unele cazuri, de exemplu, pentru rețele dialup, pentru mobile și alte calculatoare care pot fi absente temporar sau deconectate. Totuși, această metodă nu funcționează foarte bine pentru clienții business. În mediul business există multe calculatoare care au nevoie de conectivitate continuă. Unele dintre acestea sunt calculatoarele angajaților, iar altele sunt servere care servesc o cerere de la distanță la momentul potrivit. Aceste cazuri conțin o linie de acces care furnizează o conectivitate continuă spre Internet.

Tot mai mult, această situație se aplică și pentru utilizatorii conectați la Internet prin ADSL sau alt tip de conectare la Internet prin cablu, sau în acest caz nu se taxează fiecare conectare la rețea (doar o taxare lunară fixă). Mulți dintre aceștia utilizează două sau mai multe calculatoare acasă, de multe ori câte unul pentur fiecare membru al familiei, și fiecare dintre aceștia își doresc să fi online tot timpul. Soluția constă în conectarea tuturor calculatoarelor într-o rețea locală LAN printr-un router (wireless). Routerul se conectează mai apoi la ISP. Din punctul de vedere al ISP-ului, această rețea este asemănătoare cu un business mai mic ce conține o mână de calculatoare. Și în acest caz fiecare calculator trebuie să aibă propria adresă IP tot timpul. Pentru ISP cu multe mii de clienți, în particular clienți business sau familii care sunt exact ca un business mai mic, cererea de adrese IP poate depăși rapid numărul de adrese disponibl.

Problema depășirii cererilor de adrese IP nu este una teoretică, ci poate apărea în viitorul apropiat. Soluția pe termen lung constă în trecerea la protocolul IPv6, a cărui adresă este pe 128 biți. Această tranziție apare treptat, dar va dura mai mulți ani până procesul va fi complet. Astfel a fost nevoie de soluție rapidă. Aceasta este implimentată global în momentul de față sub forma NAT (Network Addresss Translation), care este descrisă în RFC 3022.

Ideea de bază în spatele NAT constă în asignarea de către ISP pentru fiecare locuință sau business o singură adresă IP (sau, cel puțin, a unui număr mic de adrese IP) pentru trafic de Internet. În interiorul rețelei client, fiecare calculator primește o adresă IP unică, care este utilizată pentru rutarea traficului în interiorul acesteia. Oricum, chiar înainte ca pachetul să părăsească rețeaua clientului și să meargă în rețeaua ISP-ului, are loc un proces de translație de la adresa IP internă unică la adresa IP publică. Această translație utilizează trei domenii de adrese IP care au fost declarate private. Rețelele le pot utiliza în interior cum doresc. Singura regulă este că nici un pachet care conține o astfel de adresă nu poate apărea în Internet. Cele trei domenii rezervate sunt:

10.0.0.0 ̶ 10.255.255.255/8 (16 777 216 utilizatori)

172.16.0.0 ̶ 172.31.255.255/12 (1 048 576 utilizatori)

192.168.0.0 ̶ 192.168.255.255/16 (65 536 utilizatori)

Operația de translație este ilustrată în Figura 3.x. În interiorul rețelei clientului, fiecare stație conține o adresă IP unică în forma 10.x.y.z. Oricum, înainte ca pachetul să părăsească rețeaua clientului trece printr-un bloc NAT care convertește adresa IP sursă, 10.0.0.1 în figură, în adresă IP a clientului alocată de ISP, în acest exemplu 198.60.42.12. Blocul NAT este deobicei în același dispozitiv cu firewall-ul, care furnizează securitatea prin controlul atent a informației care intră și iese dein rețeaua clientului. Este de asemenea posibil ca blocul NAT să fie integrat în router sau în modemul ADSL.

Figura 3.7 Amplasamentul și funcționarea blocului NAT. Sursa: [1]

În cazul utilizării NAT există o problemă: atunci când se recepționează un răspuns (de exemplu, de la serverul Web), în mod natural acesta este adresat stației cu adresa IP 192.60.42.12, atunci cum cunoaște blocul NAT care adresaă IP internă trebuie să o înlocuiască? Dacă ar fi existat un câmp de rezervă în antetul IP, acest câmp ar putea fi utilizat pentru a urmări expeditorul real al pachetului, însă doar 1 bit din antet este neutilizat.

Ceea ce se întâmplă în realitate este după cum urmează. Proiectanții NAT-ului au observat că majoritatea pachetelor IP transportă în sarcina utilă fie protoculul TCP, fie UDP. Antetul acestor două protocoale conține un port sursă și un port destinație. Aceste porturi sunt niște întregi pe 16 biți care indică unde începe și unde se încheie conexiunea TCP/UDP. Aceste porturi furnizează câmpul necesar pentru ca NAT să funcționeze.

Atunci când un proces dorește să inițieze o conexiune TCP/UDP cu un proces la distanță, acesta se atașează la un port TCP/UDP neutilizat din propria stație. Acesta este denumit port sursă și îi spune codului TCP/UDP unde să transmită pachetele care aparțin acestei conexiuni. Procesul, de asemenea, livrează un port destinație pentru arăta către cine să transmită pachetele în partea distantă. Porturile 0-1023 sunt rezervate pentru serviciile bine-cunoscute. De exemplu, portul 80 este portul utilizat de serverele Web, astfel încât clienții distanți să-i poată localiza. Fiecare mesaj TCP/UDP transmis conține un port sursă și un port destinație. Împreună, aceste porturi servesc la identificarea proceselor care utlizează conexiunea în ambele capete.

3.2 WiFi – soluția optimă pentru Mobile Data Offloading

Deși interconectarea 3G-WLAN ar trebui să fie construită în vârful nivelelor de armonizare și să nu fie limitată la o tehnologie WLAN specifică, WiFi a apărut ca un candidat principal pentru MDO. Vom enumera câțiva factori care au contribuit la marele succes al tehnologiei WiFi.

1) Spectrul nelicențiat foarte vast: WiFi operează în benzile nelicențiate ISM de 2.4 GHz și 5 GHz. Spectrul disponibil în cele două benzi este de 83 MHz, respectiv 505 MHz. Acest fapt presupune că nu e nevoie de nici o aprobare a instituțiilor de reglementare pentru implementări individuale, și că WiFi are un spectru “liber” foarte larg disponibil pentru a răspunde unor implementări ale rețelei de orice dimensiune.

2) Rate de date și experiența utilizatorului ridicate: Deși ITU nu furnizează o definiție clară a vitezelor de date pe care un utilizator le poate aștepta de la un operator de servicii 3G, este de așteptat ca UMTS să furnizeze o rată de transmisie a datelor de minim 2 Mbit/s pentru utilizatorii staționari, și 384 Kbit/s în vehiculele în mișcare. Comparând cu acest caz, IEEE 802.11n, care operează în ambele benzi de 2.4 GHz și 5 GHz, pot furniza o rată maximă teoretică de până la 600 Mbps. Deci pentru consumatori, toate acestea înseamnă că în termeni de descărcare de muzică sau video streaming, sau de transfer a fișirelor de mari dimensiuni, WiFi este o soluție de rețea mult mai bună.

3) Costul total suportat de operator: WiFi oferă beneficii foarte mari pentru operatori din punct de vedere al investițiilor de capital și investițiilor operaționale. În ultima decadă, de când a luat naștere tehnologia WiFi, aceasta a evoluat și s-a maturizat destul, aducând astfel costul echipamentelor la un prag semnificativ mai jos. În plus, oferind viteze de date de 600 Mbps și un spectru nelicențiat de 500 MHz disponibil, WiFi oferă o capacitate imensă de rețea comparabilă cu 3G/4G, toate acestea necesitând mai puține echipamente pentru a deservi o bază dată de abonați. De asemenea, fără a necesita investiții foarte mari în planificarea canalelor și proiectarea site-urilor, rețelele WiFi pot fi scalate ușor și ieftin.

4) Securitate și QoS avansat: De la introducerea standardului WLAN IEEE 802.11 în 1999, acesta a fost trecut printr-o serie de amendamente pentru a suporta calitatea serviciilor (QoS) necesară. Utilizând cel mai comun standard de criptare wireless, WEP, s-a arătat că acesta poate fi ușor de spart. Apariția procesului de criptare protejat al WiFi (WPA și WPA2) a ajutat la rezolvarea problemei. WPA2 se bazează pe standardul IEEE 802.11i și furnizează criptarea bazată pe AES utilizând o cheie pre-partajată (PSK) sau pe autentificarea de tip 802.1x RADIUS, care este ideal pentru operatori de a furniza serviciile de Autentificare, Autorizare și Contorizare (AAA). Multimedia în standardul WiFi a permis rețelelor WiFi să ofere un tratament prioritizat aplicațiilor multimedia precum VoIP, jocuri interactive, și video streaming, astfel încât să suporte variațiile întârzierii și întârzierile cerute de aceste aplicații. Drept rezultat, QoS și suportul securității în WiFi este comparabil cu cel din rețelele 3G/4G.

5) Numărul în creștere a hotspot-urilor WiFi: În 2009 WiFi opera în mai mult de 220 000 de locații publice de hotspot și în mai multe zeci de milioane de locuințe, corporații, campusuri universitare din lumea întreagă. Existau aproape 4 milioane de hotspoturi în lume și acest număr creștea cu atât mai repede cu cât întreprinderile recunoșteau valoarea importantă de a oferi WiFi clienților, angajaților și operatorilor săi. Se estimează că în 2015 acest număr va ajunge până aproape de 120 miliarde de sesiuni conectate.

6) WiFi ca tehnologie complementară pentru 3G/4G: MDO preferă tehnologii complementare pentru 3G/4G pentru a livra date. Pe parcursul anilor s-a demonstrat că WiFi este o tehnologie complementară pentru 3G/4G și există câteva căi importante în care WiFi și rețelele 3G/4G abordează oferirea de servicii de acces wireless substanțial diferit. În primul rând, implementarea rețelei corespunzătoare și modelele de business sunt diferite. Modelul de business de bază pentru 3G este modelul serviciilor de telecomunicații în care fiecare operator de servicii posedă și administrează propria infrastructură și vinde servicii pe baza ei. În contrast, WiFi favorizează industria comunicațiilor de date (LAN-uri). Modelul de business de bază presupune că fabricanții de echipamente vând aceste echipamente consumatorilor și serviciile furnizate prin echipamente consumatorilor sunt gratis. În al doilea rând, tehnologia de telefonie mobilă 3G utilizează spectrul licențiat, pe când WiFi utilizează spectrul comun nelicențiat. De aici costul serviciilor și al calității serviciilor este diferit. În al treilea rând, instituțiile de standardizare pentru cele două tehnologii sunt diferite. 3G este standardizat de 3GPP și este o familie mică de standarde internaționale consacrate. În contrast, WiFi este una din familiie de standarde wireless Ethernet 802.11x în continuă evoluare. În final, 3G oferă servicii de comunicații omniprezente într-o arie geografică mult mai largă, dar la o viteză mult mai mică. În contrast, WiFi oferă servicii de comunicații într-o arie geografică mult mai mică, dar la o viteză foarte mare.

Bibliografie

A. Osseiran, J.F.Monserat, and W. Mohr, “Mobile and Wireless Communications for IMT- Advanced and Beyond”, Wiley, 2011.

ICT, “Facts and Figures”, White Paper, Aprilie 2014

H. Kaaranen, A. Ahtiainen, L. Laitinen, S. Naghian, and V. Niemi, “UMTS Networks. Architecture, Mobility and Services”, Wiley, 2005.

Ian Poole, “3G UMTS/W-CDMA”. http://www.radioelectronics.com/info/cellulartelecomms/ umts/umts_wcdma_tutorial.php, accesat la data de 01.06.2015

Farooq Khan, “LTE for 4G Mobile Broadband”, Cambridge, 2009

S. Sesia, I. Toufik, and M. Baker, “LTE – The UMTS Long Term Evolution. From Theory to Practice”, Ediția a doua, Wiley, 2011

Ian Poole, “3G LTE”, http://www.radio-electronics.com/info/cellulartelecomms/lte-long-term-evolution/3g-lte-basics.php, accesat la data de 02.06.2015

V. Gupta, M. K. Rohil, “Enhancing Wi-Fi with IEEE 802.11u for Mobile Data Offloading”, International Journal of Mobile Network Communications & Telematics (UMNCT) Vol.2, No.4, August 2012

A. S. Tanenbaum, D. J. Wetherall, “Computer Networks”, Ediția a cincea, Prentice Hall, 2011