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

6: Redes Móveis e sem Fios 6-1

Redes Sem Fios e MóveisCap 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 you note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note our copyright of this material.

Thanks and enjoy! JFK/KWR

All material copyright 1996-2007J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved

Computer Networking: A Top Down Approach 4th edition. Jim Kurose, Keith RossAddison-Wesley, July 2007.


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 sem fios Mobilidade: gestão do utilizador móvel que muda

contantemente o seu ponto de ligação à rede


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 sub-

rede 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


Elementos de uma rede sem fios

Infra-estructurade Rede

Hosts sem fios laptop, PDA, telefone IP Correm aplicações Podem ser

estacionários ou móveis Sem fios não significa

mobilidade




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




ligação sem fios Tipicamente usado para

ligar os móveis à estação base

Também usado como ligação de backbone

Acesso ao link coordenado por protocolos múltiplos

Variação no débito de dados e distância de transmissão


Características das normas para ligações sem fios seleccionadas

Indoor10-30m

Outdoor50-200m

Mid-rangeoutdoor

200m – 4 Km

Long-rangeoutdoor

5Km – 20 Km

.056

.384

1

4

5-11

54

IS-95, CDMA, GSM 2G

UMTS/WCDMA, CDMA2000 3G

802.15

802.11b

802.11a,g

UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO 3G cellularenhanced

802.16 (WiMAX)

802.11a,g point-to-point

200 802.11n

Dat

a ra

te (

Mbp

s)

data




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



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


Taxonomia de Redes sem Fios

Salto único Saltos múltiplos

Infra-estructura(i.e., APs)

Sem Infra-estructura

host liga-se à estação de base (WiFi,WiMAX, cellular) que se liga à

Internet

Sem estação de base nemLigação à Internet

(Bluetooth, redes adhoc)

O host pode ter que passar por vários nós relay sem fios

para se ligar à Internet: mesh net

Sem estação de base, sem ligação à Internet. Pode ter que usar relaysPara atingir um dado nó

sem fios na MANET, VANET


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”


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 20 30 40

QAM256 (8 Mbps)

QAM16 (4 Mbps)

BPSK (1 Mbps)

SNR(dB)B

ER

10-1

10-2

10-3

10-5

10-6

10-7

10-4


Características das Ligações Sem Fios (3)Múltiplos transmissores e receptores sem fios

criam problemas adicionais (para além do acesso múltiplo)

AB

C

Problema do terminal escondido B, A ouvem um ao outro B, C ouvem um ao outro A, C não podem ouvir-se entre si oque significa que não se apercebem

da interferência em B

A B C

Força do Sinal de A

space

Força doSinal de C

Atenuação do sinal: B, A ouvem um ao outro B, C ouvem um ao outro A, C não podem ouvir-se interferem

em B


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)


CDMA Codificação/Descodificação

slot 1 slot 0

d1 = -1

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

Zi,m= di.cmd0 = 1

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 11

1-1- 1- 1-

slot 0channeloutput

slot 1channeloutput

channel output Zi,m

sendercode

databits

slot 1 slot 0

d1 = -1d0 = 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 1 11

1-1- 1- 1-

slot 0channeloutput

slot 1channeloutputreceiver

code

receivedinput

Di = Zi,m.cmm=1

M

M


Problema 1

Qual seria o valor de saida do transmissor se o código CDMA fosse (1,-1,1,-1,1-1,1-1)?


CDMA: Interferência de duas transmissões


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.


Sumário Introdução Ligações sem fios e







Bluetooth e WiMAX










Sumário


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


Arquitectura da LAN 802.11

Cada host sem fios 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

BSS 1

BSS 2

Internet

hub, switchor routerAP

AP


Arquitectura da LAN 802.11

Cojunto básico de serviço (BSS) em modo Ad hoc contém: Hosts sem fios

BSS


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


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?


802.11: Varrimento Activo/Passivo

AP 2AP 1

H1

BBS 2BBS 1

122

3 4

Varrimento Activo(1) Pedido de prova enviada de

H1 (2) Resposta de prova enviada dos

APs (3) Quadro de pedido de

associação enviada pelo H1 para o AP seleccionado

(4) Quadro de resposta de associação enviada para o H1 pelo AP seleccionado

AP 2AP 1

H1

BBS 2BBS 1

1

23

1

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


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)

AB

CA B C

Força do sinal A

space

Força do sinal C


Protocolo de Controlo de Acesso ao Meio (MAC) do IEEE 802.11 : CSMA/CATransmissor 802.111 Se se apercebe do canal inactivo durante o

tempo DIFS então Transmite o quadro completo (sem CD)

2 Se o canal estiver ocupado então arranca um tempo aleatório de backoffO temporizador faz uma contagem

decrescente à espera do canal inactivoTransmite 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 devolve o ACK após o tempo SIFS (ACK é

necessário por causa do problema do terminal escondido)

sender receiver

DIFS

data

SIFS

ACK

Tempo


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?


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)?


CSMA/CD versus CSMA/CA

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

Uma terceira estação está a transmitir; estão 2 à espera.

Pode ocorrer na mesma se as 2 estações estiverem escondidas uma da outraEscolhem tempos muito próximos


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!


Collision Avoidance: RTS-CTS exchange

APA B

time

RTS(A)RTS(B)

RTS(A)

CTS(A) CTS(A)

DATA (A)

ACK(A) ACK(A)

reservation collision

defer


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.


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]


framecontrol

durationaddress

1address

2address

4address

3payload CRC

2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4

seqcontrol

Quadro 802.11 : Payload e 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 !


framecontrol

durationaddress

1address

2address

4address

3payload CRC

2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4

seqcontrol

Quadro 802.11 : endereçamento

Endereço 2: endereço MAC do host sem fios ouAP que transmite o quadro

Endereço 1: endereço MAC do host sem fios ouAP destinatário do quadro

Endereço 3: endereço MAC da interface do router a que o AP está ligado

Endereço 4: usado apenas no modo ad hpc


Internetrouter

AP

H1 R1

AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr

address 1 address 2 address 3

802.11 frame

R1 MAC addr H1 MAC addr

dest. address source address

802.3 frame

Quadro 802.11: endereçamento


framecontrol

durationaddress

1address

2address

4address

3payload CRC

2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4

seqcontrol

TypeFromAP

SubtypeToAP

More frag

WEPMoredata

Powermgt

Retry RsvdProtocolversion

2 2 4 1 1 1 1 1 11 1

Quadro 802.11 : Outros campos

duration of reserved transmission time (RTS/CTS)

frame seq #(for reliable ARQ)

frame type(RTS, CTS, ACK, data)


hub or switch

AP 2

AP 1

H1 BBS 2

BBS 1

802.11: Mobilidade na mesma subrede

router 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


802.11: Funcionalidades avançadasAdaptação da taxa de

transmissão A estação de base e

o host móvel, mudam dinamicamente a sua taxa de transmissão (técnica de modulação da camada física) conforme o host se move, o SNR varia

QAM256 (8 Mbps)QAM16 (4 Mbps)

BPSK (1 Mbps)

10 20 30 40SNR(dB)

BE

R

10-1

10-2

10-3

10-5

10-6

10-7

10-4

operating point

1. A SNR diminui, a BER aumenta conforme o nó se afasta da estação de base2. Quando a BER se torna muito grande mude-se para uma taxa transmissão mais baixa mas com BER mais pequena.


802.11: Funcionalidades avançadasGestão 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


Próxima aula Introdução Ligações sem fios e







Bluetooth e WiMAX










Sumário


Mradius ofcoverage

S

SS

P

P

P

P

M

S

Master device

Slave device

Parked device (inactive)P

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


802.16: WiMAX like 802.11 & cellular:

base station model transmissions to/from

base station by hosts with omnidirectional antenna

base station-to-base station backhaul with point-to-point antenna

unlike 802.11: range ~ 6 miles (“city

rather than coffee shop”)

~14 Mbps

point-to-multipoint

point-to-point


802.16: WiMAX: downlink, uplink scheduling transmission frame

down-link subframe: base station to node uplink subframe: node to base station

pre

am

.

DL-MAP

UL-MAP

DLburst 1

SS #1DL

burst 2DL

burst nInitialmaint.

requestconn.

downlink subframe

SS #2 SS #k

uplink subframe

…

…

…

…

base station tells nodes who will get to receive (DL map) and who will get to send (UL map), and when

WiMAX standard provide mechanism for scheduling, but not scheduling algorithm


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

higher-layer protocols

6.9 Summary


Mobile Switching

Center

Public telephonenetwork, andInternet

Mobile Switching

Center

Components of cellular network architecture

connects cells to wide area net manages call setup (more later!) handles mobility (more later!)

MSC

covers geographical region base station (BS) analogous to 802.11 AP mobile users attach to network through BS air-interface: physical and link layer protocol between mobile and BS

cell

wired network


Cellular networks: the first hopTwo techniques for sharing

mobile-to-BS radio spectrum

combined FDMA/TDMA: divide spectrum in frequency channels, divide each channel into time slots

CDMA: code division multiple access

frequencybands

time slots


Cellular standards: brief survey2G 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

IS-136 GSM IS-95GPRS EDGECDMA-2000

UMTS

TDMA/FDMADon’t drown in a bowlof alphabet soup: use thisfor reference only


Cellular standards: brief survey2.5 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


Cellular standards: brief survey3G 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)


Chapter 6 outline

6.1 Introduction










6.9 Summary


What is mobility?

spectrum of mobility, from the network perspective:

no mobility high mobility

mobile wireless user, using same access point

mobile user, passing through multiple access point while maintaining ongoing connections (like cell phone)

mobile user, connecting/ disconnecting from network using DHCP.


Mobility: Vocabularyhome network: permanent “home” of mobile(e.g., 128.119.40/24)

Permanent address: address in home network, can always be used to reach mobilee.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


Mobility: more vocabulary

Care-of-address: address in visited network.(e.g., 79,129.13.2)

wide area network

visited network: network in which mobile currently resides (e.g., 79.129.13/24)

Permanent address: remains constant (e.g., 128.119.40.186)

foreign agent: entity in visited network that performs mobility functions on behalf of mobile.

correspondent: wants to communicate with mobile


How do you contact a mobile friend:

search all phone books?

call her parents? expect her to let you

know where he/she is?

I wonder where Alice moved to?

Consider friend frequently changing addresses, how do you find her?


Mobility: approaches

Let routing handle it: routers advertise permanent address of mobile-nodes-in-residence via usual routing table exchange. routing tables indicate where each mobile

located no changes to end-systems

Let end-systems handle it: indirect routing: communication from

correspondent to mobile goes through home agent, then forwarded to remote

direct routing: correspondent gets foreign address of mobile, sends directly to mobile


Mobility: approaches

Let routing handle it: routers advertise permanent address of mobile-nodes-in-residence via usual routing table exchange. routing tables indicate where each mobile

located no changes to end-systems

let end-systems handle it: indirect routing: communication from

correspondent to mobile goes through home agent, then forwarded to remote

direct routing: correspondent gets foreign address of mobile, sends directly to mobile

not scalable

to millions of mobiles


Mobility: registration

End result: Foreign agent knows about mobile Home agent knows location of mobile

wide area network

home network

visited network

1

mobile contacts foreign agent on entering visited network

2

foreign agent contacts home agent home: “this mobile is resident in my network”


Mobility via Indirect Routing

wide area network

homenetwork

visitednetwork

3

2

41

correspondent addresses packets using home address of mobile

home agent intercepts packets, forwards to foreign agent

foreign agent receives packets, forwards to mobile

mobile replies directly to correspondent


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-network-

mobile inefficient when correspondent, mobile are in same network


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!


Mobility via Direct Routing

wide area network

homenetwork

visitednetwork

4

2

41correspondent requests, receives foreign address of mobile

correspondent forwards to foreign agent

foreign agent receives packets, forwards to mobile

mobile replies directly to correspondent

3


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?


wide area network

1

foreign net visited at session start

anchorforeignagent

2

4

new foreignagent

35

correspondentagent

correspondent

new foreignnetwork

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)


Chapter 6 outline

6.1 Introduction










6.9 Summary


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


Mobile IP: indirect routing

Permanent address: 128.119.40.186

Care-of address: 79.129.13.2

dest: 128.119.40.186

packet sent by correspondent

dest: 79.129.13.2 dest: 128.119.40.186

packet sent by home agent to foreign agent: a packet within a packet

dest: 128.119.40.186

foreign-agent-to-mobile packet


Mobile IP: agent discovery agent advertisement: foreign/home agents

advertise service by broadcasting ICMP messages (typefield = 9)

RBHFMGV bits reserved

type = 16

type = 9 code = 0 = 9

checksum = 9

router address

standard ICMP fields

mobility agent advertisement

extension

length sequence #

registration lifetime

0 or more care-of-addresses

0 8 16 24

R bit: registration required

H,F bits: home and/or foreign agent


Mobile IP: registration example

visited network: 79.129.13/ 24 home agent

HA: 128.119.40.7 f oreign agent

COA: 79.129.13.2 COA: 79.129.13.2

….

I CMP agent adv. 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 req.

COA: 79.129.13.2 HA: 128.119.40.7 MA: 128.119.40.186 Lifetime: 9999 identification: 714 encapsulation format ….

registration reply

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 ….

time


Components of cellular network architecture

correspondent

MSC

MSC

MSC MSC

MSC

wired public telephonenetwork

different cellular networks,operated by different providers

recall:


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


Public switched telephonenetwork

mobileuser

homeMobile

Switching Center

HLR home network

visitednetwork

correspondent

Mobile Switching

Center

VLR

GSM: indirect routing to mobile

1 call routed to home network

2

home MSC consults HLR,gets roaming number ofmobile in visited network

3

home MSC sets up 2nd leg of callto MSC in visited network

4

MSC in visited network completescall through base station to mobile


Mobile Switching

Center

VLR

old BSSnew BSS

old routing

newrouting

GSM: handoff with common MSC

Handoff goal: route call via new base station (without interruption)

reasons for handoff: 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


Mobile Switching

Center

VLR

old BSS

1

3

24

5 6

78

GSM: handoff with common MSC

new BSS

1. old BSS informs MSC of impending handoff, provides list of 1+ new BSSs

2. MSC sets up path (allocates resources) to new BSS

3. new BSS allocates radio channel for use by mobile

4. new BSS signals MSC, old BSS: ready

5. old BSS tells mobile: perform handoff to new BSS

6. mobile, new BSS signal to activate new channel

7. mobile signals via new BSS to MSC: handoff complete. MSC reroutes call

8 MSC-old-BSS resources released


home network

Home MSC

PSTN

correspondent

MSC

anchor MSC

MSCMSC

(a) before handoff

GSM: handoff between MSCs

anchor MSC: first MSC visited during cal call remains routed

through anchor MSC

new MSCs add on to end of MSC chain as mobile moves to new MSC

IS-41 allows optional path minimization step to shorten multi-MSC chain


home network

Home MSC

PSTN

correspondent

MSC

anchor MSC

MSCMSC

(b) after handoff

GSM: handoff between MSCs

anchor MSC: first MSC visited during cal call remains routed

through anchor MSC

new MSCs add on to end of MSC chain as mobile moves to new MSC

IS-41 allows optional path minimization step to shorten multi-MSC chain


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-of-address


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


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

Documents

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