Internet Mobile et Ambiant MOB - M1 Informatique Printemps 2016 Anne Fladenmuller (anne.fladenmuller@lip6.fr) 1 Survol du cours Introduction Transmission sans fil! fréquences & régulations! propagation du signal, antennes, bilan de liaison! Transmission du signal : modulation et étalement de spectre! Multiplexage et systèmes cellulaires Wireless LANs! Technologie de base! IEEE 802.11a/b/g Protocoles réseau! DHCP! IP Mobile et micro-mobilité! Réseaux Ad-hoc Accès au médium! motivation, SDMA, FDMA, TDMA (Aloha, CSMA, DAMA, PRMA, MACA, collision avoidance, polling), CDMA Protocoles de Transport! Transmission fiable! Contrôle de flux! Qualité de Service 2
Organisation du cours Internet mobile! Cours La première partie du cours est basé principalement sur le livre : "Mobile Communications", Addison-Wesley de Jochen Schiller Autres livres de référence : «Data and computer communications», William Stallings 3 Mobilité 4 Qualcomm report
Smartphone 5 Qualcomm report Internet du futur! 3 milliards d utilisateurs en 2015! Actuellement 66% du trafic Internet est de la vidéo! Prévision pour 2018 : 79% du trafic Internet! Hétérogénéité des matériels (terminaux mobiles sans clavier, disque dur,...)! 12 milliards d équipements connectés! Prévision : 21 milliards en 2018! Attirance pour les communications sans fil 83% des accès Internet se fera via les mobiles en 2015 6
Connectivité 7 40I19 - UE WMC Evolution de la téléphonie mobile! 1950 : 0G Telephone dans une voiture. 1 canal de fréquence pour tous (un appel a la fois)! 1973 : 1G Motorola Dynatac 8000X. 3995 $ et 783g 24 cm systèmes analogiques standards :! AMPS (Advanced Mobile Phone System)! TACS (Total Access Communication System)! ETACS (Extended Total Access Communication System)! NMT (Nordic Mobile Telecom) 8
Evolution de la téléphonie mobile! 1980 : 2G Bandes de fréquences 900 MHz et 1800 MHz en Europe et 1900 MHz aux Etats-Unis systèmes numériques! GSM Global System for Mobile communications,! autres systèmes existants : TDMA ou CDMA transmission de voix + Données numériques SMS débit max 9,6 kbps 9 Evolution de la téléphonie mobile 2,5G : GPRS utilisation de transmission par paquets lorsque le réseau n est pas utilisé pour transmettre des données. De 9 Kbit/s à 56 Kbit/s 2.75G EDGE de 54 Kbit/s à 384 Kbit/s en moyenne. 10
Evolution de la téléphonie mobile! 2000 : 3G 2Mbps Standards :! UMTS (W-CDMA)! CDMA 2000 (CDMA) révolution entre 2G et 3G :! étalement de spectre " plus de sécurité (cryptage naturel)! connexion simultanée à deux bornes " Soft hanhover 11 Evolution de la téléphonie mobile 3,5G HSPA - 10 Mbit/s en moyenne théorique 3,9G LTE (théorique 150 Mbit/s ; pratique 60 Mbit/s ; usuel 30 Mbit/s)! 2014 : 4G LTE Advanced - Wimax mobile / IEEE802.116m 1 Gbit/s à l'arrêt, > 100 Mbit/s en mouvement! 5G??? 50 Gbit/s à l arrêt 12
Evolution de la téléphonie mobile 13 Introduction Fixe : marché stagnant Internet : marché croissant Cellulaire : marché croissant Evolution du réseau téléphonique GSM (2 G) GPRS/EDGE (2G+) UMTS (3G) LTE/Wimax (3,9G) LTE Advanced/ Gigabit WIMAX (4G) Wireless ATM IEEE 802.11 Bluetooth Wimax IP sur fixe/ipv6 WDM IP sans/avec QoS 14
Communications mobiles! Mobilité des utilisateurs qui communiquent anytime, anywhere, with anyone! Portabilité du matériel : les équipements peuvent être connectés anytime, anywhere sur le réseau Exemples : Sans fil mobilité # # ordinateur fixe # $ portable dans un hotel $ # WLAN dans un bâtiment historique $ $ Personal Digital Assistant (PDA) 15 Différents aspects de la mobilité! L informatique mobile prend en compte : Mobilité du terminal! Connexion sans fil entre un terminal et un point d accès ou entre plusieurs terminaux! Garder les informations (enregistrement/appel) entre le client et le réseau s il y a déplacement! Permettre le handover et le paging Mobilité des utilisateurs! Permettre d identifier un utilisateur quelque soit le terminal l opérateur/ domaine et le type de réseau sur lequel il est enregistré! Les profils utilisateurs doivent être toujours reconnus Mobilité du service! Permettre l adaptation du service à l environnement d exécution Mobilité de la session! Permettre d interrompre et reprendre une session d un environnement différent 16
Applications Véhicules! Transmission de nouvelles : circulation, accidents, météo, musique! Communication grâce à la téléphonie mobile! Positionnement via le GPS! Réseaux ad hoc locaux avec les véhicules proches! Données (heure du prochain bus, communications entre taxis)! Véhicule à véhicule (éviter les accidents, localisation d autres véhicules, chargement électrique, bcall ) Urgences! transmission de données médicales concernant un patient! remplacement d une infrastructure de communication détruite en cas de catastrophe naturelle.! crise, guerres... 17 Application type : circulation routière UMTS, WLAN, GSM, Wimax... PDA, portable, ordinateurs embarqués GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth,... 18
Applications Voyageur de commerce! Accès direct aux fichiers des utilisateurs centralisés sur un site de la maison mère! Base de données consistante pour tous les agents! Bureau mobile loisirs, éducation, Smart cities/homes! De plus en plus de capteurs pour optimiser les ressources transports urbains : smart parking, smart public transportation, Gestion de l énergie et l eau! Gestion de la santé soins à distance Situations critique 19 Applications! Nouvelles caractéristiques liées à la mobilité Services dépendants de la localisation! Quels services, imprimante, fax, téléphone, serveur dans mon environnement local! services d information push : e.g., promo dans un supermarché pull : e.g., où sont les cookies au chocolat?! services de support caches, suivi du matériel mobile dans le réseau! Domaine privé A qui peut servir de cette information? 20
Applications! Réseaux d overlay le but ultime intégration de réseaux hétérogènes fixes et mobiles avec des caractéristiques de transmission différentes region Handovers verticaux ville campus maison handovers horizontaux 21 Equipements mobiles Pager reception seulement micro affichage messages texte simples Capteurs, contrôleurs embarqués Mini-Portable/tablettes petit clavier versions simplifiées des applications standards Iphone / android Like affichage graphique évolué applications spécifiques Téléphones mobiles voix, données affichage texte (SMS) + images (MMS) Portable ordinateur performant appli standards performance 22
Equipements mobiles! Effets de la portabilité des équipements Consommation des batteries! Communication : GPS, 2G/3G/4G, Wi-Fi, Bluetooth, NFC! Luminosité de l écran! CPU: consommation importante d énergie Nouvelles interfaces graphiques Applications spécifiques 23 Réseau filaire versus sans-fil Taux de perte plus importants dûs aux interférences Régulation restrictive des fréquences Débits variables Délais plus grands et gigues plus importantes! Temps d établissement plus grands Moins de sécurité, attaques plus faciles! Tout le monde à accès au support (même pour téléphonie) Médium partagé! Important de le sécuriser 24
Prémices des communications sans fil! Utilisation de la lumière pour communiquer sémaphores... 150 av JC signaux de fumée 1794, télégraphe optique, Claude Chappe! importance primordiale des ondes électromagnétiques: 1831 : Faraday démontre la parenté des phénomènes lumineux et des phénomènes électromagnétiques. 1864 : James Clark Maxwell grâce à des théories mathématiques puissantes émet l'hypothèse des ondes électromagnétiques. Ces ondes doivent exister, mais il ne peut le démontrer expérimentalement. 1888 : Heinrich Rudolph Hertz, produit et décèle les ondes électromagnétiques. Liaisons radio-électriques à des distances atteignant une vingtaine de mètres et à travers plusieurs murs 1890 : M. Branly découvre un moyen beaucoup plus sensible que le résonateur de Hertz pour détecter la présence des ondes hertziennes. 25 Histoire des communications sans fil! 1895 Guglielmo Marconi / Popov Découvrent les antennes Premières démonstrations de la télégraphie Transmission longue onde, puissance du signal nécessaire important (> 200kw)! 1901 1ière transmission transatlantique! 1907 Connexions commerciales transatlantiques Énormes stations de base (antennes de 30 à 100m)! 1915 Transmission voix sans fil entre NY - SF! 1920 Découverte des ondes courtes par Marconi réflexion sur la ionosphère Émetteurs récepteurs de plus petite taille, possible grâce à l invention du tube à vide (1906, Lee DeForest and Robert von Lieben)! 1926 téléphone dans le train fils parallèles aux rails 26
Histoire des communications sans fil! 1928 : premiers essais pour la diffusion TV! 1933 : modulation de fréquences (E. H. Armstrong)! 1958 : des systèmes de transmission analogique sont développés ( Ex en Allemagne : 160MHz pour une station mobile, pas de handover 1971 : 11 000 clients )! 1982 : début de la spécification du GSM But : système de téléphonie mobile avec roaming! 1983 : début du système américain AMPS (Advanced Mobile Phone System, analogique)! 1984: Norme européenne CT-1 pour les téléphones sans fil à la maison! 1991 Spécification du DECT Digital European Cordless Telephone (today: Digital Enhanced Cordless Telecommunications) 1880-1900MHz, portée ~100-500m, 120 canaux duplex, transmission de données à 1.2Mbit/s, encryption de la voix, authentification, jusqu à 10000 utilisateurs/km2, + de 50 pays 27 Histoire des communications sans fil! 1992 début du GSM Localisation automatique, handover roaming en Europe maintenant dans plus de 170 pays services: données à 9.6kbit/s, FAX, voix,...! 1996 HiperLAN (High Performance Radio Local Area Network) ETSI, standardisation du type 1: 5.15-5.30GHz, 23.5Mbit/s recommandations pour les types 2 et 3 (à 5GHz) and 4 (17GHz) pour les réseaux sans fil ATM (jusqu à 155Mbit/s)! 1997 Wireless LAN IEEE 802.11 norme IEEE, 2.4-2.5GHz et infrarouge à 2Mbit/s Déjà des produits propriétaires dès le début! 1998 Spécification des successeurs du GSM UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) comme proposition Européenne pour l IMT-2000 Iridium : 66 satellites basse orbite 28
Histoire des communications sans fil! 1999 Standardisation de nouveaux wireless LANs IEEE standard 802.11b, 2.4-2.5GHz, 11Mbit/s Bluetooth pour pico cellules, 2.4Ghz, <1Mbit/s Décision à propos de l IMT-2000! Plusieurs «membres» dans la «famille» : UMTS, cdma2000, DECT,! 1999 Début du WAP (Wireless Application Protocol) et i-mode Premier pas vers un système de communication mobile unifié! 2000 GSM à plus haut débits Premiers essais GPRS jusqu à 50 kbit/s (orienté paquets) UMTS vente aux enchères! 2001 début des systèmes de 3G : Cdma2000 in Korea, UMTS in Europe, Foma (almost UMTS) in Japon 29 Systèmes sans fil UWB LTE HSDPA 30
Internet mobile : recherche en cours Communication sans fil! Qualité de transmission (bande passante, taux d erreurs, délai)! Modulation, codage, interférences! Accès au support, régulation, Mobilité! Services dépendants de la localisation! Support de la QoS (délai, gigue, sécurité), Portabilité! Consommation d énergie! Puissance de traitement limitée,! Usages 31 Modèle de référence utilisé pour ce cours Application Application Transport Transport Network Network Network Network Data Link Data Link Data Link Data Link Physical Physical Physical Physical Radio Medium 32
Modèle de référence utilisé pour ce cours! Influence des communications mobiles sur le modèles hiérarchique en couches Couche application : service de localisation nouvelles applications, multimédia, Applications adaptatives Couche transport : contrôle de flux et de congestion. Couche réseau : qualité de service, adressage, routage, handover Couche liaison : authentification, accès au media, multiplexage Couche physique : encryption, modulation, interférences, atténuation, fréquences 33 Plan du cours Support de la mobilité Couche transport mobile Couche réseau mobile Wireless LAN Contrôle d accès au support Transmissions sans fil 34
Survol du cours Introduction! applications! Définitions! Challenges, histoire Transmission sans fil! fréquences & régulations! propagation du signal, antennes, bilan de liaison! Transmission du signal : modulation et étalement de spectre! Multiplexage et systèmes cellulaires Accès au médium! motivation, SDMA, FDMA, TDMA (Aloha, CSMA, DAMA, PRMA, MACA, collision avoidance, polling), CDMA Wireless LANs! Technologie de base! IEEE 802.11a/b/g/n/ac/ Protocoles réseau! DHCP! IP Mobile et micro-mobilité Protocoles de Transport! Transmission fiable! Contrôle de flux! Qualité de Service 35 Transmissions sans fil Fréquences et régulation Signal Transmission du signal Multiplexage 36
Le spectre électromagnétique et son utilisation f (Hz) 10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 10 10 10 12 10 14 10 16 10 18 10 20 10 22 10 24 radio micro ondes infra rouges UV rayons X rayons gamma lumière visible f (Hz) 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11 10 12 10 13 10 14 10 15 paires satellite fibre maritime coaxial radio AM radio FM µ-ondes terrestres TV bande LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF 37 Fréquences et régulations! ITU-R régit la vente aux enchères de nouvelles fréquences et gérer les bandes de fréquence dans le monde (f en MHz) Téléphones cellulaires Téléphones sans fil Wireless LAN Europe USA Japon GSM 450-457, 479-486/460-467,489 - AMPS, TDMA, CDMA PDC 496, 890-915/935-960, 824-849, 810-826, 1710-1785/1805-1880 869-894 940-956, UMTS (FDD) 1920-1980, 2110-2190 TDMA, CDMA, GSM 1429-1465, UMTS (TDD) 1900-1920, 2020-2025 1850-1910, 1477-1513 1930-1990 CT1+ 885-887, 930-932 CT2 864-868 DECT 1880-1900 IEEE 802.11 2400-2483 HIPERLAN 2 5150-5350, 5470-5725 PACS 1850-1910, 1930-1990 PACS -UB 1910-1930 902-928 IEEE 802.11 2400-2483 5150-5350, 5725-5825 PHS 1895-1918 JCT 254-380 IEEE 802.11 2471-2497 5150-5250 38
Fréquences et régulations! Beaucoup d autres fréquences ont été attribuées pour : Les liaisons satellites Communications avec avion Fréquences radio Services de paging Militaires, police, Fréquences hautes sont encore peu utilisées car problèmes importants d atténuation. Bandes non régulées sont à l étude. Qu en est-il de UWB (ultra Wide Band)? Attribution des fréquences aux US 39 Attribution des bandes! à un usage plus le spectre est large, plus le débit est élevé! au niveau international l'itu émet des Recommandations, qui ne sont que des recommandations! au niveau national le gouvernement attribue les bandes : radio AM et FM, TV, téléphones, police,! à des opérateurs algorithmes! sélection sur dossier! enchères! Loterie! Exemple 4G SFR/Bouygues : 5 MHz chacun en duplex pour 466 000 000 euros ; Orange/Free Mobile : 10 MHz duplex 933 078 323 euros ; la bande ISM 40
La bande ISM! Industrial, Scientific, Medical fours micro-ondes, systèmes d'ouverture des portes de garages, souris d'ordinateurs, téléphones cordless, jouets télécommandés,! principe n'importe qui peut émettre à volonté, mais la puissance d'émission est limitée la position des bandes varie d'un pays à l'autre! ex : US, puissance limitée à 1 Watt BP 26 MHz 83,5 MHz 125 MHz f 902 MhZ 928 MHz 2,4 GHz 2,4835 GHz 5,735 GHz! ex : en France, l'anfr (Agence Nationale des Fréquences) publie le TNRBF (Tableau National de Répartition des Bandes de Fréquences) 5,860 GHz 41 Transmissions sans fil Fréquences et régulation Signal % Propagation du signal % Antennes % Bilan de liaison Transmission du signal Multiplexage 42