Redes Sem Fios e
Móveis
Cap 6 do Kurose
Nota dos autores:
We’re making these slides freely available to all (faculty, students, readers).
They’re 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, we’d like people to use our book!)
 If you post any slides in substantially unaltered form on a www site, that
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note our copyright of this material.
Thanks and enjoy! JFK/KWR
All material copyright 1996-2007
J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved
Computer Networking:
A Top Down Approach
4th edition.
Jim Kurose, Keith Ross
Addison-Wesley, July
2007.
6: Redes Móveis e sem Fios
6-1
Introdução
 # de assinantes de telefones móveis excede largamente
o número de assinantes de telefones fixos

34 milhões em 1993; 2 bilhões em 2005
 Redes de computadores cada vez mais com mais
dispositivos móveis: laptops, palmtops, PDAs, telefones
VOIP

A mobilidade veio para ficar
 Dois desafios importantes mas diferentes

Comunicações sem fios : comunicação através de ligações

Mobilidade: gestão do utilizador móvel que muda
sem fios
contantemente o seu ponto de ligação à rede
6: Redes Móveis e sem Fios
6-2
Sumário
 Introdução
 Ligações sem fios e
características da rede

CDMA
 Wi-Fi: Redes Locais sem fios
802.11






Arquitectura 802.11
Protocolo de acesso ao meio
802.11
Quadro IEE 802.11
Mobilidade na mesma subrede IP
Funcionalidades avançadas no
802.11
Para além do 802.11:
Bluetooth e WiMAX
 Acesso celular à Internet
 Visão geral da Arquitectura
Celular
 Revisão sumária das normas e
tecnologias celulares
 Principios da Gestão da
Mobilidade


Endereçamento
Encaminhamento para um nó
móvel
 IP Móvel
 Gestão da Mobilidade em
Redes Celulares


Encaminhamento de chamadas
para um utilizador móvel
Handoffs no GSM
 Redes sem fios e Mobilidade:
impacto nas camadas
superiores
 Sumário
6: Redes Móveis e sem Fios
6-3
Elementos de uma rede sem fios
Hosts sem fios
 laptop, PDA, telefone IP
 Correm aplicações
 Podem ser estacionários
ou móveis
Infra-estructura
de Rede

Sem fios não significa
mobilidade
6: Redes Móveis e sem Fios
6-4
Elementos de uma rede sem fios
Infra-estructura
de Rede
Estação Base
 Conectada à rede com
fios, normalmente
 relay – responsável
pelo envio de pacotes
entre hosts com e
sem fios na sua “area”
 i.e., torres das
células , pontos
de acesso 802.11
6: Redes Móveis e sem Fios
6-5
Elementos de uma rede sem fios
ligação sem fios
 Tipicamente usado para
ligar os móveis à
estação base
 Também usado como
ligação de backbone
Infra-estructura  Acesso ao link
de Rede
coordenado por
protocolos múltiplos
 Variação no débito de
dados e distância de
transmissão
6: Redes Móveis e sem Fios
6-6
Características das normas para ligações
sem fios seleccionadas
Data rate (Mbps)
200
54
5-11
802.11n
802.11a,g
802.11b
4
1
802.11a,g point-to-point
data
802.16 (WiMAX)
UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO
3G cellular
enhanced
802.15
.384
UMTS/WCDMA, CDMA2000
.056
3G
2G
IS-95, CDMA, GSM
Indoor
Outdoor
10-30m
50-200m
Mid-range
outdoor
Long-range
outdoor
200m – 4 Km
5Km – 20 Km
6: Redes Móveis e sem Fios
6-7
Elementos de uma rede sem fios
Infra-estructura
de Rede
modo infra-estructura
 Estação Base liga os
móveis à rede com
fios
 handoff: o móvel
muda de estação de
base que o liga à rede
com fios
6: Redes Móveis e sem Fios
6-8
Elementos de uma rede sem fios
Modo ad hoc
 Sem estações de base
 Os nós podem apenas
transmitir para outros
nós dentro sa sua área
de cobertura
 Os nós organizam-se em
rede: encaminham
através de si próprios
6: Redes Móveis e sem Fios
6-9
Taxonomia de Redes sem Fios
Salto único
host liga-se à estação
Infra-estructura de base (WiFi,WiMAX,
(i.e., APs)
cellular) que se liga à
Internet
Saltos múltiplos
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.
Sem
Sem estação de base nem Pode ter que usar relays
Infra-estructura
Ligação à Internet
Para atingir um dado nó
(Bluetooth, redes adhoc) sem fios na MANET,
VANET
6: Redes Móveis e sem Fios
6-10
Características das Ligações Sem
Fios (1)
Diferenças para as ligações com fios ….



Força decrescente do sinal : o sinal de rádio é bastante
atenuado quando se propaga através do meio (perdas do
percurso)
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
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”
6: Redes Móveis e sem Fios
6-11
Características das Ligações Sem
Fios (2)
 SNR: signal-to-noise ratio

Maior SNR – mais fácil extrair
o sinal do ruído (uma “coisa
boa”)
Compromissos SNR versus BER
 Dada a camada física: aumenta

a potência -> aumenta SNR>diminui BER
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)
10-2
10-3
BER

10-1
10-4
10-5
10-6
10-7
10
20
30
40
SNR(dB)
QAM256 (8 Mbps)
QAM16 (4 Mbps)
BPSK (1 Mbps)
6: Redes Móveis e sem Fios
6-12
Características das Ligações Sem
Fios (3)
Múltiplos transmissores e receptores sem fios criam
problemas adicionais (para além do acesso múltiplo)
C
A
B
A
B
Problema do terminal escondido
C
Força do
Sinal de C
Força do
Sinal de A
space
 B, A ouvem um ao outro
Atenuação do sinal:
 A, C não podem ouvir-se entre si o
 B, C ouvem um ao outro
 B, C ouvem um ao outro
 B, A ouvem um ao outro
que significa que não se apercebem da
interferência em B
 A, C não podem ouvir-se
interferem em B
6: Redes Móveis e sem Fios
6-13
Code Division Multiple Access (CDMA)
 Usado em vários normas para canais broadcast sem fios





(celular, satélite, etc)
Código único atribuído a cada utilizador, i.e. partição do
conjunto de códigos
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
Sinal codificado = (dados originais) X (chipping sequence)
Descodificação = produto interno do sinal codificado com a
sequência de transporte (chipping)
Permite a “coexistencia” de múltiplos utilizadores que
transmitem simultaneamente com mínima interferência (se os
códigos forem ortogonais)
6: Redes Móveis e sem Fios
6-14
CDMA Codificação/Descodificação
sender
d0 = 1
data
bits
code
Zi,m= di.cm
-1 -1 -1
1
-1
1 1 1
-1 -1 -1
slot 1
-1
slot 1
channel
output
1
-1
1 1 1 1 1 1
1
d1 = -1
1 1 1
channel output Zi,m
-1 -1 -1
slot 0
1
-1
-1 -1 -1
slot 0
channel
output
M
Di = S Zi,m.cm
m=1
received
input
code
receiver
1 1 1 1 1 1
1
-1 -1 -1
-1
1 1 1
1
-1
-1 -1 -1
-1
1 1 1
-1 -1 -1
slot 1
M
1
1
-1
-1 -1 -1
slot 0
d0 = 1
d1 = -1
slot 1
channel
output
slot 0
channel
output
6: Redes Móveis e sem Fios
6-15
Problema 1
 Qual seria o valor de saida do transmissor
se o código CDMA fosse (1,-1,1,-1,1-1,1-1)?
6: Redes Móveis e sem Fios
6-16
CDMA: Interferência de duas
transmissões
6: Redes Móveis e sem Fios
6-17
Problema 2
 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.
6: Redes Móveis e sem Fios
6-18
Sumário
 Introdução
 Ligações sem fios e
características da rede

CDMA
 Wi-Fi: Redes Locais sem fios
802.11






Arquitectura 802.11
Protocolo de acesso ao meio
802.11
Quadro IEE 802.11
Mobilidade na mesma subrede IP
Funcionalidades avançadas no
802.11
Para além do 802.11:
Bluetooth e WiMAX
 Acesso celular à Internet
 Visão geral da Arquitectura
Celular
 Revisão sumária das normas e
tecnologias celulares
 Principios da Gestão da
Mobilidade


Endereçamento
Encaminhamento para um nó
móvel
 IP Móvel
 Gestão da Mobilidade em
Redes Celulares


Encaminhamento de chamadas
para um utilizador móvel
Handoffs no GSM
 Redes sem fios e Mobilidade:
impacto nas camadas
superiores
 Sumário
6: Redes Móveis e sem Fios
6-19
Redes Locais sem fios IEEE 802.11
 802.11b
 2.4-5 GHz espectro sem
licença
 Até 11 Mbps
 direct sequence spread
spectrum (DSSS) na camada
física
• Todos os hosts usam o
mesmo código de “chipping”
 802.11a
 Gama 5-6 GHz
 Até 54 Mbps
 802.11g
 Gama 2.4-5 GHz
 Até 54 Mbps
 802.11n: antenas múltiplas
 Gama 2.4-5 GHz
 Até 200 Mbps
 Todas usam CSMA/CA para acesso múltiplo
 Todas têm versões com estação de base e para
redes ad-hoc
6: Redes Móveis e sem Fios
6-20
Arquitectura da LAN 802.11
 Cada host sem fios
Internet
AP
hub, switch
or router
BSS 1
AP
BSS 2
comunica com uma estação
de base
 Estação de Base = Ponto
de Acesso (AP)
 Cojunto básico de serviço
(BSS) (aka “cell”) no modo
infra-estrtutura contém:
 Hosts sem fios
 Pontos de Acesso (AP):
Estações de Base
6: Redes Móveis e sem Fios
6-21
Arquitectura da LAN 802.11
 Cojunto básico de serviço
(BSS) em modo Ad hoc
contém:
 Hosts sem fios
BSS
6: Redes Móveis e sem Fios
6-22
802.11: Canais e Associação
 802.11b: gama do espectro 2.4GHz-2.485GHz dividido em 11
canais com diferentes frequências
 AP admin escolhe a frequência para o AP
 Possível interferência: escolha do mesmo canal que um AP
vizinho !
 host: deve associar-se a um AP
 Varre os canais, ouvindo os quadros de orientação (beacon
frames) contendo o nome do AP (SSID) e endereços
MAC
 Selecciona um AP para se associar
 Pode autenticar-se (ver Capítulo 8)
 Tipicamente corre o DHCP para obter um endereço IP na
subrede do AP
6: Redes Móveis e sem Fios
6-23
Problema 3
 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


Suponha adicionalmente que cada ISP configurou o seu AP
para funcionar no canal 11. Será que o protocolo 802.11
deixa de funcionar nesta situação? O que acontece se 2
estações cada uma de um ISP tentam transmitir ao
mesmo tempo.
Responda às mesmas questão se um AP funcionar no canal
1 e outro no canal 11. As suas respostas mudam?
6: Redes Móveis e sem Fios
6-24
802.11: Varrimento Activo/Passivo
BBS 1
AP 1
BBS 2
1
1
2
AP 2
BBS 1
BBS 2
AP 1
2
3
2
3
H1
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
AP 2
1
4
H1
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
6: Redes Móveis e sem Fios
6-25
Acesso mútiplo no IEEE 802.11
 Evitar colisões: 2+ nós a transmitir simultaneamente.
 802.11: CSMA – Ouvir antes de transmitir
 Não colidir com uma transmissão de outro nó em curso
 802.11: Não há detecção de colisão !
 É dificil receber (ouvir colisões) quando se transmito devido
à fraqueza do sinal recebido (desvanescimento, fading)
 Em qualquer caso não se consegue ouvir as colisões em todas
situações: terminal escondido, fading
 Objectivo: Evitar colisões: CSMA/C(ollision)A(voidance)
A
C
A
B
B
C
Força do
sinal C
Força do
sinal A
space
6: Redes Móveis e sem Fios
6-26
Protocolo de Controlo de Acesso ao
Meio (MAC) do IEEE 802.11 : CSMA/CA
Transmissor 802.11
1 Se se apercebe do canal inactivo durante o
tempo DIFS então
sender
Transmite o quadro completo (sem CD)
2 Se o canal estiver ocupado então
DIFS
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 802.11
- Se o quadro recebido estiver OK
receiver
data
SIFS
ACK
devolve o ACK após o tempo SIFS (ACK é
necessário por causa do problema do terminal
escondido)
Tempo
6: Redes Móveis e sem Fios
6-27
CSMA/CD versus CSMA/CA
 CSMA/CD (Ethernet)

Transmite mal se aperceba que o canal está livre
 CSMA/CA
 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?
6: Redes Móveis e sem Fios
6-28
Problema 4
 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
802.11 para não permitir essa estação
enviar imediatamente o quadro seguinte (se
detectar o canal livre)?
6: Redes Móveis e sem Fios
6-29
CSMA/CD versus CSMA/CA
Uma terceira estação está a transmitir;
estão 2 à espera.
 Ethernet
 Começam logo a
transmitir e dá colisão


Não é grave
Há mecanismos de
detecção de colisão
 Wireless
 Esperam um tempo de
contagem random


Uma delas ganha e
começa a transmitir
A outra ouve a
vencedora e deixa de
contar à espera do canal
livre
Pode ocorrer na mesma se as 2 estações
estiverem escondidas uma da outra
Escolhem tempos muito próximos
6: Redes Móveis e sem Fios
6-30
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.
 O transmissor primeiro envia pacotes pequenos com pedido
de envio (request-to-send ,RTS) para a BS usando o CSMA
 As RTSs podem também colidir (mas são pequenas)
 A estação de base (BS) difunde clear-to-send (CTS) em
resposta ao in response to RTS
 CTS ouvido por todos nós
 Transmissor envia o quadro de dados
 As outras estações atrasam (deferem) as suas
transmissões
Evitar por completo colisões de quadros de
dados com recurso a pequenos pacotes de reserva!
6: Redes Móveis e sem Fios
6-31
Collision Avoidance: RTS-CTS exchange
A
B
AP
reservation collision
DATA (A)
defer
time
6: Redes Móveis e sem Fios
6-32
Problema 5
 Suponha que uma estação 802.11 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.
6: Redes Móveis e sem Fios
6-33
Ligações ponto-a-ponto 802.11
 802.11 pode ser usado com antenas
direccionais para ligações ponto-a-ponto de
dezenas de Km
Hardware de baixo custo
 Antenas direccionais
 Potência reforçada

 Exemplo na Índia [Raman 2007]
6: Redes Móveis e sem Fios
6-34
Quadro 802.11 : Payload e CRC
2
2
6
6
6
frame
address address address
duration
control
1
2
3
2
6
seq address
4
control
0 - 2312
4
payload
CRC
 Payload – Datagrama IP ou pacote ARP
 Embora possa ir até 2,312 bytes normalmente é inferior a
1500 bytes
 CRC (Cyclic Redundancy Checking)
 Permite ao receptor detectar erros no quadro recebido
 É bastante útil porque aqui há erros mesmo !
6: Redes Móveis e sem Fios
6-35
Quadro 802.11 : endereçamento
2
2
6
6
6
frame
address address address
duration
control
1
2
3
Endereço 1: endereço
MAC do host sem fios ou
AP destinatário do quadro
2
6
seq address
4
control
0 - 2312
4
payload
CRC
Endereço 4: usado
apenas no modo ad
hpc
Endereço 3: endereço
MAC da interface do
router a que o AP está
ligado
Endereço 2: endereço
MAC do host sem fios ou
AP que transmite o quadro
6: Redes Móveis e sem Fios
6-36
Quadro 802.11: endereçamento
R1 router
H1
Internet
AP
R1 MAC addr H1 MAC addr
dest. address
source address
802.3 frame
AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr
address 1
address 2
address 3
802.11 frame
6: Redes Móveis e sem Fios
6-37
Quadro 802.11 : Outros campos
frame seq #
(for reliable ARQ)
duration of reserved
transmission time (RTS/CTS)
2
2
6
6
6
frame
address address address
duration
control
1
2
3
2
Protocol
version
2
4
1
Type
Subtype
To
AP
6
2
1
seq address
4
control
1
From More
AP
frag
1
Retry
1
0 - 2312
4
payload
CRC
1
Power More
mgt
data
1
1
WEP
Rsvd
frame type
(RTS, CTS, ACK, data)
6: Redes Móveis e sem Fios
6-38
802.11: Mobilidade na mesma subrede
 H1 permanece na
mesma sub-rede: o
endereço IP pode ser
o mesmo
 Switch: a que AP está
associado H1?
 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
router
hub or
switch
BBS 1
AP 1
AP 2
H1
BBS 2
6: Redes Móveis e sem Fios
6-39
802.11: Funcionalidades avançadas
Adaptação da taxa de
transmissão
10-1
 A estação de base e o
QAM256 (8 Mbps)
QAM16 (4 Mbps)
BPSK (1 Mbps)
operating point
10-3
BER
host móvel, mudam
dinamicamente a sua
taxa de transmissão
(técnica de modulação
da camada física)
conforme o host se
move, o SNR varia
10-2
10-4
10-5
10-6
10-7
10
20
30
SNR(dB)
40
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.
6: Redes Móveis e sem Fios
6-40
802.11: Funcionalidades avançadas
Gestão da Energia
 node-to-AP: “Vou adormecer até o próximo
quadro beacon”
O
AP sabe que não transmite quadros para o nó
 O nó acorda antes dó próximo quadro beacon
 Quadro beacon: contém a lista dos dos nós
móveis com quadros em espera no AP
O
nó acorda se há quadros em espera, caso contrário
adormece até ao próximo quadro beacon
6: Redes Móveis e sem Fios
6-41
Próxima aula
 Introdução
 Ligações sem fios e
características da rede

CDMA
 Wi-Fi: Redes Locais sem fios
802.11






Arquitectura 802.11
Protocolo de acesso ao meio
802.11
Quadro IEE 802.11
Mobilidade na mesma subrede IP
Funcionalidades avançadas no
802.11
Para além do 802.11:
Bluetooth e WiMAX
 Acesso celular à Internet
 Visão geral da Arquitectura
Celular
 Revisão sumária das normas e
tecnologias celulares
 Principios da Gestão da
Mobilidade


Endereçamento
Encaminhamento para um nó
móvel
 IP Móvel
 Gestão da Mobilidade em
Redes Celulares


Encaminhamento de chamadas
para um utilizador móvel
Handoffs no GSM
 Redes sem fios e Mobilidade:
impacto nas camadas
superiores
 Sumário
6: Redes Móveis e sem Fios
6-42
802.15: personal area network
 less than 10 m diameter
 replacement for cables
(mouse, keyboard,
headphones)
 ad hoc: no infrastructure
 master/slaves:


slaves request permission to
send (to master)
master grants requests
 802.15: evolved from
Bluetooth specification


2.4-2.5 GHz radio band
up to 721 kbps
P
S
P
radius of
coverage
M
S
P
S
P
M Master device
S Slave device
P Parked device (inactive)
6: Redes Móveis e sem Fios
6-43
802.16: WiMAX
 like 802.11 & cellular:
point-to-point
base station model
transmissions to/from
base station by hosts
with omnidirectional
antenna
 base station-to-base
station backhaul with
point-to-point antenna

point-to-multipoint
 unlike 802.11:
 range ~ 6 miles (“city
rather than coffee
shop”)
 ~14 Mbps
6: Redes Móveis e sem Fios
6-44
802.16: WiMAX: downlink, uplink scheduling
 transmission frame
down-link subframe: base station to node
 uplink subframe: node to base station

pream.
…
DL- ULMAP MAP
DL
burst 1
DL
burst 2
downlink subframe
…
…
DL
burst n
Initial request
SS #1 SS #2
maint. conn.
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
 WiMAX standard provide mechanism for
scheduling, but not scheduling algorithm
6: Redes Móveis e sem Fios
6-45
Chapter 6 outline
6.1 Introduction
Wireless
 6.2 Wireless links,
characteristics

CDMA
 6.3 IEEE 802.11
wireless LANs (“wi-fi”)
 6.4 Cellular Internet
Access


architecture
standards (e.g., GSM)
Mobility
 6.5 Principles:
addressing and routing
to mobile users
 6.6 Mobile IP
 6.7 Handling mobility in
cellular networks
 6.8 Mobility and higherlayer protocols
6.9 Summary
6: Redes Móveis e sem Fios
6-46
Components of cellular network architecture
MSC
cell
 connects cells to wide area net
 manages call setup (more later!)
 handles mobility (more later!)
 covers geographical
region

base station (BS)
analogous to 802.11 AP
 mobile users attach
to network through BS

Mobile
Switching
Center
air-interface:
physical and link layer
protocol between
mobile and BS
Public telephone
network, and
Internet
Mobile
Switching
Center
wired network
6: Redes Móveis e sem Fios
6-47
Cellular networks: the first hop
Two techniques for sharing
mobile-to-BS radio
spectrum
 combined FDMA/TDMA:
divide spectrum in
frequency channels, divide
each channel into time
slots
frequency
bands
 CDMA: code division
multiple access
time slots
6: Redes Móveis e sem Fios
6-48
Cellular standards: brief survey
2G systems: voice channels
 IS-136 TDMA: combined FDMA/TDMA (north
america)
 GSM (global system for mobile communications):
combined FDMA/TDMA

most widely deployed
 IS-95 CDMA: code division multiple access
GSM
Don’t drown in a bowl
of alphabet soup: use this
for reference only
6: Redes Móveis e sem Fios
6-49
Cellular standards: brief survey
2.5 G systems: voice and data channels
 for those who can’t wait for 3G service: 2G extensions
 general packet radio service (GPRS)
 evolved from GSM
 data sent on multiple channels (if available)
 enhanced data rates for global evolution (EDGE)
 also evolved from GSM, using enhanced modulation
 data rates up to 384K
 CDMA-2000 (phase 1)
 data rates up to 144K
 evolved from IS-95
6: Redes Móveis e sem Fios
6-50
Cellular standards: brief survey
3G systems: voice/data
 Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS)
 data service: High Speed Uplink/Downlink packet
Access (HSDPA/HSUPA): 3 Mbps
 CDMA-2000: CDMA in TDMA slots
 data service: 1xEvlution Data Optimized (1xEVDO)
up to 14 Mbps
….. more (and more interesting) cellular topics due to mobility (stay
tuned for details)
6: Redes Móveis e sem Fios
6-51
Chapter 6 outline
6.1 Introduction
Wireless
 6.2 Wireless links,
characteristics

CDMA
 6.3 IEEE 802.11
wireless LANs (“wi-fi”)
 6.4 Cellular Internet
Access


architecture
standards (e.g., GSM)
Mobility
 6.5 Principles:
addressing and routing
to mobile users
 6.6 Mobile IP
 6.7 Handling mobility in
cellular networks
 6.8 Mobility and higherlayer protocols
6.9 Summary
6: Redes Móveis e sem Fios
6-52
What is mobility?
 spectrum of mobility, from the
network perspective:
no mobility
mobile wireless user, mobile user,
using same access
connecting/
point
disconnecting
from network
using DHCP.
high mobility
mobile user, passing
through multiple
access point while
maintaining ongoing
connections (like cell
phone)
6: Redes Móveis e sem Fios
6-53
Mobility: Vocabulary
home network: permanent
“home” of mobile
(e.g., 128.119.40/24)
Permanent address:
address in home
network, can always be
used to reach mobile
e.g., 128.119.40.186
home agent: entity that will
perform mobility functions on
behalf of mobile, when mobile
is remote
wide area
network
correspondent
6: Redes Móveis e sem Fios
6-54
Mobility: more vocabulary
Permanent address: remains
constant (e.g., 128.119.40.186)
visited network: network
in which mobile currently
resides (e.g., 79.129.13/24)
Care-of-address: address
in visited network.
(e.g., 79,129.13.2)
wide area
network
correspondent: wants
to communicate with
mobile
foreign agent: entity
in visited network
that performs
mobility functions on
behalf of mobile.
6: Redes Móveis e sem Fios
6-55
How do you contact a mobile friend:
Consider friend frequently changing
addresses, how do you find her?
I wonder where
Alice moved to?
 search all phone
books?
 call her parents?
 expect her to let you
know where he/she is?
6: Redes Móveis e sem Fios
6-56
Mobility: approaches

Let routing handle it: routers advertise permanent

Let end-systems handle it:
 indirect routing: communication from
address of mobile-nodes-in-residence via usual
routing table exchange.
 routing tables indicate where each mobile located
 no changes to end-systems
correspondent to mobile goes through home
agent, then forwarded to remote
 direct routing: correspondent gets foreign
address of mobile, sends directly to mobile
6: Redes Móveis e sem Fios
6-57
Mobility: approaches

Let routing handle it: routers advertise permanent

let end-systems handle it:
 indirect routing: communication from
not
address of mobile-nodes-in-residence
via usual
scalable
routing table exchange.
to millions of
 routing tables indicate
mobiles where each mobile located
 no changes to end-systems
correspondent to mobile goes through home
agent, then forwarded to remote
 direct routing: correspondent gets foreign
address of mobile, sends directly to mobile
6: Redes Móveis e sem Fios
6-58
Mobility: registration
visited network
home network
1
2
wide area
network
mobile contacts
foreign agent on
entering visited
network
foreign agent contacts home
agent home: “this mobile is
resident in my network”
End result:
 Foreign agent knows about mobile
 Home agent knows location of mobile
6: Redes Móveis e sem Fios
6-59
Mobility via Indirect Routing
foreign agent
receives packets,
forwards to mobile
home agent intercepts
packets, forwards to
foreign agent
home
network
visited
network
3
wide area
network
correspondent
addresses packets
using home address
of mobile
1
2
4
mobile replies
directly to
correspondent
6: Redes Móveis e sem Fios
6-60
Indirect Routing: comments
 Mobile uses two addresses:
permanent address: used by correspondent (hence
mobile location is transparent to correspondent)
 care-of-address: used by home agent to forward
datagrams to mobile
 foreign agent functions may be done by mobile itself
 triangle routing: correspondent-home-networkmobile
 inefficient when
correspondent, mobile
are in same network

6: Redes Móveis e sem Fios
6-61
Indirect Routing: moving between networks
 suppose mobile user moves to another
network
registers with new foreign agent
 new foreign agent registers with home agent
 home agent update care-of-address for mobile
 packets continue to be forwarded to mobile (but
with new care-of-address)

 mobility, changing foreign networks
transparent: on going connections can be
maintained!
6: Redes Móveis e sem Fios
6-62
Mobility via Direct Routing
correspondent forwards
to foreign agent
foreign agent
receives packets,
forwards to mobile
home
network
4
wide area
network
2
correspondent
requests, receives
foreign address of
mobile
visited
network
1
3
4
mobile replies
directly to
correspondent
6: Redes Móveis e sem Fios
6-63
Mobility via Direct Routing: comments
 overcome triangle routing problem
 non-transparent to correspondent:
correspondent must get care-of-address
from home agent

what if mobile changes visited network?
6: Redes Móveis e sem Fios
6-64
Accommodating mobility with direct routing
 anchor foreign agent: FA in first visited network
 data always routed first to anchor FA
 when mobile moves: new FA arranges to have data
forwarded from old FA (chaining)
foreign net visited
at session start
wide area
network
anchor
foreign
agent
1
2
4
5
correspondent
agent
correspondent
3
new foreign
agent
new
foreign
network
6: Redes Móveis e sem Fios
6-65
Chapter 6 outline
6.1 Introduction
Wireless
 6.2 Wireless links,
characteristics

CDMA
 6.3 IEEE 802.11
wireless LANs (“wi-fi”)
 6.4 Cellular Internet
Access


architecture
standards (e.g., GSM)
Mobility
 6.5 Principles:
addressing and routing
to mobile users
 6.6 Mobile IP
 6.7 Handling mobility in
cellular networks
 6.8 Mobility and higherlayer protocols
6.9 Summary
6: Redes Móveis e sem Fios
6-66
Mobile IP
 RFC 3344
 has many features we’ve seen:
 home agents, foreign agents, foreign-agent
registration, care-of-addresses, encapsulation
(packet-within-a-packet)
 three components to standard:
 indirect routing of datagrams
 agent discovery
 registration with home agent
6: Redes Móveis e sem Fios
6-67
Mobile IP: indirect routing
foreign-agent-to-mobile packet
packet sent by home agent to foreign
agent: a packet within a packet
dest: 79.129.13.2
dest: 128.119.40.186
dest: 128.119.40.186
Permanent address:
128.119.40.186
dest: 128.119.40.186
Care-of address:
79.129.13.2
packet sent by
correspondent
6: Redes Móveis e sem Fios
6-68
Mobile IP: agent discovery
 agent advertisement: foreign/home agents advertise
service by broadcasting ICMP messages (typefield = 9)
0
type = 9
24
checksum
=9
code = 0
=9
H,F bits: home
and/or foreign agent
R bit: registration
required
16
8
standard
ICMP fields
router address
type = 16
length
registration lifetime
sequence #
RBHFMGV
bits
reserved
0 or more care-ofaddresses
mobility agent
advertisement
extension
6: Redes Móveis e sem Fios
6-69
Mobile IP: registration example
home agent
HA: 128.119.40.7
foreign agent
COA: 79.129.13.2
visited network: 79.129.13/24
ICMP agent adv.
COA: 79.129.13.2
….
registration req.
COA: 79.129.13.2
HA: 128.119.40.7
MA: 128.119.40.186
Lifetime: 9999
identification: 714
encapsulation format
….
Mobile agent
MA: 128.119.40.186
registration req.
COA: 79.129.13.2
HA: 128.119.40.7
MA: 128.119.40.186
Lifetime: 9999
identification:714
….
registration reply
time
HA: 128.119.40.7
MA: 128.119.40.186
Lifetime: 4999
Identification: 714
encapsulation format
….
registration reply
HA: 128.119.40.7
MA: 128.119.40.186
Lifetime: 4999
Identification: 714
….
6: Redes Móveis e sem Fios
6-70
Components of cellular network architecture
recall:
correspondent
wired public
telephone
network
MSC
MSC
MSC
MSC
MSC
different cellular networks,
operated by different providers
6: Redes Móveis e sem Fios
6-71
Handling mobility in cellular networks

home network: network of cellular provider you
subscribe to (e.g., Sprint PCS, Verizon)
 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)
 visited network: network in which mobile currently
resides
 visitor location register (VLR): database with
entry for each user currently in network
 could be home network
6: Redes Móveis e sem Fios
6-72
GSM: indirect routing to mobile
home
network
HLR
2
home MSC consults HLR,
gets roaming number of
mobile in visited network
correspondent
home
Mobile
Switching
Center
1
3
VLR
Mobile
Switching
Center
4
Public
switched
telephone
network
call routed
to home network
home MSC sets up 2nd leg of call
to MSC in visited network
mobile
user
visited
network
MSC in visited network completes
call through base station to mobile
6: Redes Móveis e sem Fios
6-73
GSM: handoff with common MSC
 Handoff goal: route call via
new base station (without
interruption)
 reasons for handoff:
VLR Mobile
Switching
Center
old
routing
old BSS

new
routing

new BSS

stronger signal to/from new
BSS (continuing connectivity,
less battery drain)
load balance: free up channel
in current BSS
GSM doesn’t mandate why to
perform handoff (policy), only
how (mechanism)
 handoff initiated by old BSS
6: Redes Móveis e sem Fios
6-74
GSM: handoff with common MSC
VLR Mobile
Switching
Center 2
4
1
8
old BSS
5
7
3
6
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
6: Redes Móveis e sem Fios
6-75
GSM: handoff between MSCs

home network
correspondent
Home
MSC
anchor MSC: first MSC
visited during cal

call remains routed
through anchor MSC
 new MSCs add on to end
anchor MSC
PSTN
MSC
MSC
MSC
(a) before handoff
of MSC chain as mobile
moves to new MSC
 IS-41 allows optional
path minimization step
to shorten multi-MSC
chain
6: Redes Móveis e sem Fios
6-76
GSM: handoff between MSCs

home network
correspondent
Home
MSC
anchor MSC: first MSC
visited during cal

call remains routed
through anchor MSC
 new MSCs add on to end
anchor MSC
PSTN
MSC
MSC
MSC
(b) after handoff
of MSC chain as mobile
moves to new MSC
 IS-41 allows optional
path minimization step
to shorten multi-MSC
chain
6: Redes Móveis e sem Fios
6-77
Mobility: GSM versus Mobile IP
GSM element
Comment on GSM element
Mobile IP element
Home system
Network to which mobile user’s 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 System
Network 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-ofaddress
6: Redes Móveis e sem Fios
6-78
Wireless, mobility: impact on higher layer protocols
 logically, impact
should be minimal …
best effort service model remains unchanged
 TCP and UDP can (and do) run over wireless, mobile
 … but performance-wise:
 packet loss/delay due to bit-errors (discarded
packets, delays for link-layer retransmissions), and
handoff
 TCP interprets loss as congestion, will decrease
congestion window un-necessarily
 delay impairments for real-time traffic
 limited bandwidth of wireless links

6: Redes Móveis e sem Fios
6-79
Chapter 6 Summary
Wireless
 wireless links:



capacity, distance
channel impairments
CDMA
 IEEE 802.11 (“wi-fi”)
 CSMA/CA reflects
wireless channel
characteristics
 cellular access
 architecture
 standards (e.g., GSM,
CDMA-2000, UMTS)
Mobility
 principles: addressing,
routing to mobile users



home, visited networks
direct, indirect routing
care-of-addresses
 case studies
 mobile IP
 mobility in GSM
 impact on higher-layer
protocols
6: Redes Móveis e sem Fios
6-80