Mobiiliverkot ja liikkuvuuden hallinta

1. Mobiiliverkot ja liikkuvuuden hallinta Liikkuvuuden vaikutus verkkoon Erilaiset liikkuvuusratkaisut Raimo Kantola raimo.kantola@hut.fi SG210, 4512471

2. Numeropositioiden käyttöaste: m13 = 109 13 lg m = 9 m = 4.92 Solmujen määrä on m13 - 1 = 305 miljoonaa 1 + m + m2 + … m12 = m - 1 Liikkuvuus vaatii loogiset tilaajanumerot, jotka täytyy kuvata verkon topologiaan • Topologiaa kuvaavat reititysnumerot. • Tarkastellaan esimerkkiä: 109 tilaajaa, tilaajanumeron pituus 13 nroa Lasketaan karkea muistitarve analyysille: Analyysipuu koostuu 64 oktetin solmuista, joissa kussakin analyoidaan 1 nro.

3. A B d e f g Puhelinkeskuksen numeroanalyysipuu liittää väylöityksen signaloinnista saatavaan tietoon signaloinnista: ABC - suunta ABCd - lyhin tilaajanumero ABCdefgh - pisin tilaajanumero Buckets C Oletamme ettäanalyysi tehdään puumaisella tietorakenteella. Noodit d,e,f,g,h tarvitaan numeropituudesta ja solmusta riippuen h

4. Vaatii osittamista! Tilaajanumerolasku jatkuu ... Muistitarve analyysipuulle on 64 * 305 * 106 = 19 Gb • Tämän monistaminen useaan paikkaan tulee kalliiksi. • Lukeminen tästä tietokannasta vaatii 13 muistihakua, mikä ei sinänsä ole ongelma • Isoin tekninen ongelma on päivitykset: Oletus:- yksi päivitys vaatii 50b viestin - kaikki päiv. 6h aikana Huom: - päivityksiä/tilaaja voidaan varmuussyistä joutua tekemään merkittä- västi useammin.

5. Yksi ratkaisu on tietokannan osittaminen operaattoreittain ja prefiksittäin • GSM noudattaa tätä ratkaisua: • yksi HLR tietää muutaman sadan tuhannen tilaajan sijainnin vierailurekisterin tarkkuudella • tilaajanumeron ensimmäiset numeropaikat määräävät miltä HLR:ltä on kysyttävä sijaintia • päivitysten määrää vähentää myös sijaintialuehierarkia • Kaikkia muutoksia ei tarvitse välttämättä päivittää HLR:lle asti. • Tilaajalla on MS-ISDN “tilaajan luettelonumero” jaerillinen reititysnumero (MSRN).

6. Vierailurekisteri tietää - käytännössä joukko soluja - päivitys kerran/6 min….24h ja virta päälle/pois yms ehdoilla - sijainnin päivityksessä myös autentikointi Lopullinen sijainti selviäähakualgoritmin (paging) avulla: - kutsu lähetetään kaikissa soluissa - MS vastaa omassa solussa - näin voidaan valita paras solu Sijaintialuehierarkia GSM:ssä HLR tietää keskuksen/vierailurekisterin MSC/VLR-alue Sijaintialue Sijaintialue Solu Solu

7. Voidaan kuljettaa yhdellä PCM-johdolla! Tuntuu toimivaltaratkaisulta. Lasketaan sijainnin päivitysliikenteen määrä 200 000 tilaajan HLR:ssä • 200 000 tilaajaa • 1 päivitys/5min/tilaaja • karkea oletus: olkoon 1 päivitys = 100 oktettia Liikenne = 200000 * 100 * 8/(5*60) = 0,53Mbit/s.

8. Kiinnostavaa on tarkastella todennäköisten kanavanvaihtojen määrää puhelun aikana Puhelun pituus 3 min Nopeus 150 km/h Nopeus 100 km/h Nopeus 50 km/h Nopeus 15 km/h Nopeus 5 km/h Toimivassa arkkitehtuurissa pysyy mieluiten alle yhden!

9. GSM arkkitehtuuri HLR/AC/EIR BTS HLR - Home Location Register (kotirekisteri) AC - Authentication Center (Varmennekeskus) EIR - Equipment Identity Register (laiterekisteri) MSC - Mobile Switching Center (matkapuhelinkeskus) VLR - Visitor location Register (vierailijarekisteri) BSC - Base Station Controller (tukiasemaohjain) BTS - Base Transceiver Station (tukiasema) BSC MSC BSC MS = ME+SIM VLR soluja BTS

10. MSC HLR VLR HLR reititystietokyselyn avulla MS löytyy päättyvässä puhelussa MAP/C MAP/D GMSC PSTN ISUP - IAM SendRoutingInformation ProvideRoamingNumber ProvideRoamingNumberACK SendRoutingInformationACK ISUP - IAM (normaalin merkinannon aloitussanoma) MSRN - Mobile Subscriber Roaming Number toimii reititysnumerona - noudattaa E.164 formaattia (tavallisetkin keskukset pystyvät käsittelemään) - kullakin MSC:llä on rajallinen määrä MSRN:iä - MSRN:llä on voimassaoloaika - MSRN voidaan allokoida puhelu kerrallaan tai vierailun ajaksi

11. Monikerroksisella solukkoverkolla saadaan lisää kapasiteettia GSM900 makro GSM1800 makro GSM1800 mikro GSM900 mikro Solun valinta pyrkii sijoittamaan nopeasti liikkuvat MSt ylös.

12. hexa -positioiden käyttöaste: m8 = 109 8 lg m = 9 m = 13.34 Solmujen määrä on m8 - 1 = 114 miljoonaa 1 + m + m2 + … m7 = Ei oleellista vaikutusta! Muuttuuko tilanne jos tilaajanumerot ovat binäärisiä? • Esim: 109 tilaajaa, tilaajanumeropituus 128 bittiä Lasketaan karkea muistitarve analyysille: Analyysipuu koostuu 64 oktetin solmuista, joissa kussakin analyoidaan 4 bittiä. m - 1

13. Kaksi ratkaisuesimerkkiä: Mobile-IP ja GPRS. Brute force ratkaisu IP -mobiliteetille Muistitarve analyysipuulle (=RT) on 64 * 114 * 106 = 7.3 Gb • Brute force ratkaisussa tämä päivitetään kaikkiin reitittimiin, mikä on käytännössä mahdotonta! • Lukeminen tästä tietokannasta vaatii 8 muistihakua, mikä ei sinänsä ole ongelma • Isoin tekninen ongelma on päivitykset! • Mobiliteettiarkkitehtuurin pitää pudottaa päivitysliikenne merkittävästi alle solmun hyötyliikenteen määrän • Päivittäminen paikkoihin, joissa ei lukuja, pitää eliminoida tai ainakin minimoida

14. RT Kohde-IP osoite Lähtöportti/ Seur. R IP-os Liikkuvuus pakettiverkossa/tausta • Reititys perustuu reititystauluihin, joita luetaan pakettikohtaisesti. • Reitittimet ylläpitävät reititystaulujaan reititys-protokollien avulla • Taulun toteutuskelpoinen koko luokkaa alle 100 000 riviä. Haku kohdeosoitteen perusteella vaatii monta muistiviittausta (<32). - 100m käyttäjän verkossa päästään toteutuskelpoiseen RT kokoon allokoimalla IP-osoitteet verkkokohtaisesti (provider addressing) ja hakemalla taulusta osoiteprefiksin avulla (eli tuskin koskaan käytetään täyttä 32 bitin IP-osoitetta

15. Care-of-Address Mobiili Foreign Agent 3 tunnel 2 Tunnel = IP over IP 1 Mobiilin Kotiverkko Correspondent Host Home Agent Mobile’s Home-IP-Address Mobiilin täytyy päivittää sijaintinsa tänne aika ajoin Mobile-IP:ssä käyttäjällä on kotiagentti ja vierailija-agentti 1 - normaali IP -reititys 2 - tunneli HA ->FA 3 - normaali IP - reititys

16. Mobiili 3 Foreign Agent 4 5 2a Binding warning 1 Mobiilin Kotiverkko Correspondent Host MAY have a binding cache 2b Home Agent Binding Update Mobile-IP:ssä kolmioreititys voidaan myös välttää

17. Mobile-IP:n piirteitä • Care-of-address muutokset autentikoidaan. • Reitityksen optimointi on luonnos, ei perus-Mobiili-IP:n osa • reitityksen optimointi voi yrittää myös pelastaa liikkuvalle mobiilille menossa olevia sanomia vanhan ja uuden FA:n neuvottelulla • Ei ota kantaa radiotekniikkaan tms siirtokerroksen asioihin. • Ei huolehdi siitä, kuka verkot omistaa ja kuka liikennöinnin maksaa.

18. GSM:n pakettiliikennelaajennus on GPRS Kullakin trx:llä 8 aikaväliä, jotka onluokiteltu: - puhtaasti puhelukäyttö - puhtaasti pakettikäyttö (optio) - pakettikäyttö oletuksena (pidetään vapaana puheluista vaikka kana- vanvaihdoin - pakettikäyttö mahdollinen, jos ei puheluliikennettä. Trx 1 Circuit switched time slots Circuit switched time slots max Circuit switched time slots Additional GPRS Default GPRS max Trx n Dedicated GPRS time slots Valitsemalla alueiden koko sopivasti piiri- ja pakettikytkentäisen liikenteenvälille syntyy elastinen raja siten, että palvelun laatu, liikennetulot ja verkon käyttöaste optimoituvat. Alueiden määrittely on GPRS:n tuoma verkon suunnittelun lisätehtävä.

19. Tunneli/konteksti GPRS:ssä liikkuvuudesta huolehtii SGSN ja liitännästä eri verkkoihin GGSN Liitäntä piirikytkentäiseen verkkoon BTS Yrityksen Xyz Intranet HLR/AC/EIR GGSN BSC BSC MS = ME+SIM SGSN Yrityksen ABc Intranet GGSN SGSN - Serving GPRS Support Node GGSN - Gateway GPRS Support Node MS ja GGSN välillä on “konteksti” GGSN Julkinen Internet soluja BTS

20. Verkko ei seuraa MS:n sijaintia Tilaaja on aktiivinen. Verkko seuraa tilaajaa solun tarkkuudella MS on online -valmiustilassa, mutta ei juurinyt välitä paketteja. Verkko seuraa tilaajaa reititysalueen tarkkuudella: solu < RA < sijaintialue. MS löytyy solu-joukosta pagingillä. GPRS liikkuvuuden hallinta IDLE Attach Detach READY Standby timer PDU välitys Ready timer STANDBY Mobiliteettitilamalli

21. GPRS:n piirteitä • Verkossa kaksi liikkuvuuden hallintaa: piirikytkentäisten palveluiden ja pakettipalveluiden. • GGSN omistaa mobiilin ulospäin näkyvän IP -osoitteen. GGSN:stä ulospäin toimii normaali IP-reititys. • BSC-SGSN-GGSN (+HLR) verkko huolehtii liikkuvuudesta, käyttää sisäisiä topologiasidonnaisia IP-osoitteita. Vrt: SGSN/FA, GGSN/HA. • Tunnelissa MS - GGSN on kaksi IP-verkkoa päällekkäin: IP-pohjainen siirtoverkko ja sovellusten näkemä IP -hyötyverkko. • Ratkaisuun joudutaan, jotta verkkojen omistussuhteet ja liikennevastuut voidaan hallita • Header overhead on suuri (>100 oktettia)

22. GSN to GSN verkossa on suuri header overhead Esim 20ms puhebitit RTP RTP 12 Puhepaketti 6...12kbit/s vie 15 …30 oktettia. Jos alla on ATM-verkko (48 oktettia hyötytietoa + 5 oktettia otsikkoa/solu), paljonko on overhead? UDP UDP 8 20 IP IP GTP GTP UDP UDP 8 Gn rajapinta IP IP 20 L2 L2 L1 L1 GSN1 GSN2

23. Yhteenveto • Piirikytkentäisen ja pakettikytkentäisen verkon liikkuvuusratkaisut eroavat toisistaan. • GMSC kysyy puhelukohtaisesti HLR:ltä reititysohjetta: keskitetty arkkitehtuuri toimii. • Pakettiverkossa ei voida pakettikohtaisesti kysellä ulkopuoliselta solmulta, minne paketti laitetaan. Liikkuvuusratkaisu on joko adaptiivinen tai hajautettu. • GPRS ja mobile-IP arkkitehtuurit ovat saman kaltaiset • GPRS on sovitettu huolella yhteen GSM:n kanssa. • GPRS:ssä on huolehdittu siitä, kuka verkon laitteet omistaa ja kukasaa missäkin liikennöidä ja millä oikeuksilla.