[Week 12-1] Cellular networks - Wireless

Chap 10. Cellular Wireless networks

 

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< 4G/5G cellular networks  >

- 움직이면서 끊김없이 통신하고 싶음 → wide-area mobile Internet의 해결방안

 

- widespread deployment/use (배치/사용)

: mobile-broadband-connected devices > fixed-broadband-connected devices devices (5:1 in 2019)

: 4G availability: 97% of time in Korea (90% in US)

 

- 최대 transmission rates: 100’s Mbps

 

- technical standards: 3rd Generation Partnership Project (3GPP)

: wwww.3gpp.org

: 4G: Long-Term Evolution (LTE) standard

 

> cellular networks가 wired Internet과 비슷한 점

- edge/core에서만 다르고, 둘 다 same carrier 아래 있다.

- global cellular network: a network of networks

- widespread use of protocols we’ve studied

: HTTP, DNS, TCP, UDP, IP, NAT, separation of data/control planes, SDN, Ethernet, tunneling

- wired Internet에 상호연결

 

> cellular networks와 wired Internet의 차이점

- different wireless link layer

- mobility

- user “identity” (via SIM card)

- business model

: 사용자가 cellular provider에 가입

: 뚜렷한 “home network” versus roaming on visited nets

: global access, with authentication infrastructure, and inter-carrier settlements

 

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< Elements of 4G LTE architecture >

 

1. Radio access network의 구성요소

> Mobile device (Use Equipment - UE)

- smartphone, tablet, laptop, IoT, with 4G LTE radio

- International Mobile Subscriber Identity (IMSI)

: SIM (Subscriber Identity Module) card에 저장된 64-bit 기기 고유의 식별번호

: 잃어버렸을 때 도난 신고 가능

 

 

> Base station (eNode-B)

- at “edge” of carrier’s network(EPC)

- wireless radio resources, mobile devices in its coverage area(cell) 를 관리

- device authentication을 다른 요소와 coordinate

- WiFi AP와 비슷하지만 다음과 같은 차이가 존재

→ 사용자의 mobility에 대해 active role

→ radio 사용을 최적화하기 위해 근처의 base stations와 협력하는 것이 중요 (radio가 겹치지 않도록)

 

 

2. EPC의 구성요소

> Home Subscriber Service (HSS) - 컨트롤

- HSS’s network가 “home network”인 모바일 장치에 대한 기본적인 정보 저장

- works with MME in device authentication

 

 

> Mobility Management Entity (MME) - 컨트롤

- device authentication (device-to-network, network-to-device) coordinated with mobile home network HSS

 

- path (tunneling) setup from mobile device to P-GW

: 가상의 패스(IP tunnel)를 만들어서 P-GW로 데이터를 전송

 

- mobile device management

: device handover between cells

: tracking/paging device location

 

 

> Serving Gateway (S-GW), PDN Gateway (P-GW) - 데이터

- lie on data path from mobile to/from Internet

- other routers: tunneling의 광범위한 사용

 

*P-GW (PDN Gateway) - 데이터

: mobile cellular network로의 출입문

: 다른 internet gateway router와 유사

: NAT 서비스 제공

 

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< LTE: data plane control plane separation >

 

control plane	data plane
- mobility management, security, authentication을 위한   new protocol	- link, physical layers에서의 new protocol   - 이동성을 촉진하기 위한 tunneling의 광범위한 사용

 

 

< LTE data plane protocol stack: first hop >

> LTE link layer protocols

- Packet Data Convergence(통합)

: header compression, encryption (암호화)

 

- Radio Link Control (RLC) Protocol

: fragmentation /reassembly, reliable data transfer

 

- Medium Access

: requesting, use of radio transmission slots

 

 

 

> LTE radio access network

- downstream: FDM, TDM within frequency channel

(OFDM - orthogonal frequency division multiplexing)

- “orthogonal”- channels간의 간섭 최소화

- upstream: FDM, TDM similar to OFDM

- 각 active mobile 기기는 2개 이상의 0.5ms time slots을 할당 over 12 frequencies

- scheduling algorithm의 표준화 x (operator까지)

- 기기당 100’s Mbps 가능

*다운속도>>업속도

 

 

< LTE data plane protocol stack: packet core >

- tunneling

: 가상의 layer를 만들어 쉽게 base station과 end 지점만 고려하여 routing 되도록 함

: mobile datagram encapsulated using GPRS Tunneling Protocol (GTP), sent inside UDP datagram to S-GW

: S-GW re-tunnels datagrams to P-GW

: supporting mobility - mobile 사용자가 움직일 때, tunneling endpoints만 변화

 

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< BS(Base Station)와의 연결 과정 >

1. BS는 모든 주파수에 primary synch signal(beacon)를 5ms마다 broadcasts

- BSs from multiple carriers may be broadcasting synch signals

 

2. mobile은 primary synch signal를 찾고 이 주파수에서 2nd synch signal을 찾는다.

- BS에 의해 broadcast 된 정보를 찾는다 (channel bandwidth, configurations, BS’s cellular carrier info)

- multiple base stations, multiple cellular networks으로부터 정보를 얻는다.

 

3. mobile이 연결할 BS 선택

예) preference for home carrier(kt, skt 등) - 로밍을 하면 해외에서도 가능

 

4. authenticate, establish state, set up data plane 등의 단계가 더 필요

 

 

< LTE mobiles: sleep modes >

 

LTE mobile은 배터리 절약을 위해 radio를 “sleep”상태로 둔다. (as in WiFi, Bluetooth)

- light sleep

: after 100 msec of inactivity

: downstream 전송을 확인하기 위해 주기적으로 wake up (100 msec)

 

- deep sleep

: after 5-10 secs of inactivity

: deep sleeping동안 mobile이 cells을 변경시킬 수 있다.

연결을 끊는다 → need to re-establish association

 

 

< Global cellular network: a network of IP networks >

 

- home network HSS

: identify & services info (in home network, roaming)

- all IP (Visited network)

: carriers interconnect with each other,

and public internet at exchange points

: legacy 2G, 3G: not all IP, handled otherwise

 

 

 

 

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< On to 5G! >

- 목표

: peak bitrate 10배↑, latency 10배↓, traffic capacity over 4G 100배↑

 

- 5G NR (new radio)

: two frequency bands - FR1 (450 MHz–6 GHz) / FR2 (24 GHz–52 GHz): millimeter wave frequencies

: not backwards-compatible(역호환) with 4G

: MIMO - multiple directional antennae

 

- millimeter wave frequencies (고주파)

: data 속도↑, distances↓

: pico-cells: cells diameters: 10-100 m (WiFi 수준)

: massive, dense한 새로운 base stations가 필요

 

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교재는 Data and Computer Communications를 참고하였고, 자료는 이화여자대학교 이형준 교수님의 정보통신공학 강의에서 가져온 것입니다.