Entwurf und simulative Bewertung eines QoS-Frameworks für die Mobilfunknetze der dritten Generation

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1 Rheinische Friedrich-Wilhelms Universität Bonn Institut für Informatik IV Prof. Dr. Peter Martini Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit Entwurf und simulative Bewertung eines QoS-Frameworks für die Mobilfunknetze der dritten Generation Referent: Andrei Svirida Bonn, Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 1

2 Zitat This 'telephone' has too many shortcomings to be seriously considered as a means of communication. The device is inherently of no value to us. Western Union internal memo, 1876 Dieses 'Telefon' weist zu viele Mängel auf, um ernsthaft als Kommunikationsmittel in Betracht gezogen zu werden. Das Gerät kann uns in keinem Falle nützen. Internes Memo der Western Union, Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 2

3 Gliederung des Vortrags 1. Einleitung und Motivation 2. Thematische Einordnung der Diplomarbeit 3. Zielsetzung der Diplomarbeit 4. Vorgehensweise 4. Zeitplan Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 3

4 Gestern, heute und morgen... Gestern Internet wird stationär zum Surfen, Versand von s und Dateiübertragung benutzt Heute Internet wird stationär und mobil zum Surfen, Versand von s und Dateiübertragung benutzt Im stationären Internet findet die Konvergenz von Internet, Fernsehen und Telefonie statt Morgen Internet wird stationär und mobil zum Surfen, Versand von s und Dateiübertragung benutzt Im stationären und mobilen Internet findet die Konvergenz von Internet, Fernsehen und Telefonie statt Quelle:Von GSM zu UMTS, s.6, Ericsson Trends: Datenkommunikation wird immer mobiler Konvergenz von Internet mit anderen Medien wird immer grösser Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 4

5 Konvergenz gibt es nicht für umsonst Sensititvität gengenüber Verzögerung hoch Telefonie Videokonferenz TV und HDTV TV und HDTV Hohe Anforderungen an die Dienstgüte(QoS): Bandbreite Verzögerung Fehlerrate Jitter... Video niedrig Fax WWW,FTP,Bilder,Grafiken 10 Kbit/s 100 Kbit/s 1 Mbit/s 10 Mbit/s 100 Mbit/s Übertragungsgeschwindigkeit Frage: Wie erreicht man im Mobilfunk die für multimediale Kommunikation ausreichenden Bandbreiten? Trends: Datenkommunikation wird immer mobiler Konvergenz von Internet mit anderen Medien wird immer grösser Eine Antwort: UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 5

6 UMTS Was ist UMTS? UMTS ist ein IMT-2000-konformer europäischer Standard für die Mobilfunksysteme der dritten Generation UMTS == Universal Mobile Telecommunications System Was ist IMT-2000? IMT-2000 == International Mobile Telecommunications at 2000 MHz IMT-2000 definiert die Richtlinien für die Mobilfunknetze der dritten Generation Was bietet UMTS? Hohe Datenraten bis 2 Mbit/s Variable Datenraten (Bandwidth on Demand)... Irgendwann : IP im gesamten Netzwerk bis zum Endgerät All-IP Network This 'telephone' has too many shortcomings... Release 1999 Release 4 Release Zeitplan für die Standardisierung von UMTS Zeit Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 6

7 Grobe Architektur eines All-IP UMTS-Netzwerks Andere All-IP UMTS-Netzwerke Internet Public Switched Telephone Network GGSN Media Gateway Network Anforderung der multimedialen Kommunikation: unterbrechungsfreie Dienstgüte Problem: IP- können überlastet werden im Network im Internet in anderen All-IP UMTS Netzwerken SGSN SGSN SGSN BNC BNC BNC BNC BNC BNC Folge der Überlastung: die Dienstgüte reicht plötzlich nicht aus, um weiter multimedial zu kommunizieren wegen geringer Bandbreite oder hoher Latenzzeit oder hohen Jitters Radio Network Lösungen: Overprovisioning oder Diplomarbeit des Vortragenden Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 7

8 QoS in UMTS Welche QoS-Konzepte bietet UMTS? 4 Qos-Klassen: Conversational, Streaming, Interactive, Background Relevante Spezifikationen beschreiben was ein All-IP UMTS Netzwerk aus QoS-Sicht leisten soll und überlassen die konkrete Implementierung den Netzbetreibern Es existiert ein Vorschlag zur QoS-Architektur in All-IP-UMTS-Netzwerken ( der allerdings die Aspekte der Mobilität der Mobilfunkkunden nicht behandelt (Details folgen) Session Initiation Protocol (SIP) ist in UMTS R5 für den Aufbau, Kontrolle und den Abbau der Telefongespräche und Videokonferenzen über IP-basierte Netzwerke zuständig SIP ist explizit nicht für die Reservierung und Freigabe der notwendigen Ressourcen zuständig Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 8

9 Ziel der Diplomarbeit Ziel der Diplomarbeit: Entwicklung und simulative Bewertung eines Systems für die Vereinbarung und Durchsetzung der Ende-zu-Ende-Dienstgüte in UMTS. Schwerpunkt liegt an folgender Herausforderung: Wie kann die unterbrechungsfreie Dienstgüte erreicht werden trotz der Mobilität des Mobilfunkkunden Heterogenität der beteiligten IP-Netze Tunneling des IP-Verkehrs über GTP zwischen GGSN und SGSN Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 9

10 Herausforderung Mobilität Andere All-IP UMTS-Netzwerke Internet GGSN Public Switched Telephone Network Media Gateway Network Szenario: eine Videokonferenz im fahrenden Auto Überlast an mehreren n im Network: Problem: die aus stationärem Internet bekannten Lösungen (z.b.rsvp) können die unterbrechungsfreie Dienstgüte nur bei stabilen Routen garantieren SGSN SGSN SGSN BNC BNC BNC BNC BNC BNC Radio Network Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 10

11 Herausforderung Mobilität Andere All-IP UMTS-Netzwerke Internet GGSN Public Switched Telephone Network Media Gateway Network Szenario: eine Videokonferenz im fahrenden Auto Überlast an mehreren n im Network: Problem: die aus stationärem Internet bekannten Lösungen (z.b.rsvp) können die unterbrechungsfreie Dienstgüte nur bei stabilen Routen garantieren SGSN SGSN SGSN BNC BNC BNC BNC BNC BNC Radio Network Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 11

12 Herausforderung Mobilität Andere All-IP UMTS-Netzwerke Internet GGSN Public Switched Telephone Network Media Gateway Network Szenario: eine Videokonferenz im fahrenden Auto Überlast an mehreren n im Network: Problem: die aus stationärem Internet bekannten Lösungen (z.b.rsvp) können die unterbrechungsfreie Dienstgüte nur bei stabilen Routen garantieren SGSN SGSN SGSN Grund: Die Vereinbarung der Dienstgüte auf der neuen Route erfolgt erst nach der Umstellung des IP-Verkehrs auf die neue Route BNC BNC BNC BNC BNC BNC Idee: Nutze die Makrodiversität aus und vereinbare die Dienstgüte vor der Umstellung des IP-Verkehrs auf die neue Route Radio Network Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 12

13 Herausforderung Mobilität Andere All-IP UMTS-Netzwerke Internet Public Switched Telephone Network Idee: GGSN Media Gateway Network Nutze die Makrodiversität aus und vereinbare die Dienstgüte vor der Umstellung des IP-Verkehrs auf die neue Route BNC SGSN SGSN SGSN BNC BNC BNC BNC BNC Umsetzung: Erweitere das -Network um die Komponenten, welche die Bewegung einer mobilen Station verfolgen und die notwendigen Ressourcen reservieren bzw. freigeben um einen QoS-sicheren Handover zu ermöglichen Anmerkung: Voraussichtlich besteht keine Notwendigkeit, dafür User Equipment auf Hardware-Ebene anzupassen Radio Network Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 13

14 Herausforderung: Heterogenität der beteiligten IP-Netze IP-Netz IP-Netz IP-Netz IntServ/ RSVP Radio Network Network Internet IP-Netz IP-Netz IP-Netz DiffServ/ Bandwidth Broker Die beteiligten IP-Netze sind heterogen hinsichtlich: der benutzten Übertragungstechnologie (W-CDMA, ATM, Ethernet,...) der verfügbaren QoS-Parameter der eingesetzen Verfahren für die Dienstgütevereinbarung der eingesetzen Verfahren für die Dienstgütedurchsetzung Herausforderung: Definition der QoS-Parameter, die alle beteiligten IP-Netzwerken unterstützen Ein netzwerkübergreifendes Verfahren zur Dienstgütevereinbarung Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 14

15 Ein Blick in die Zukunft: 3.5G Als 3.5-te Generation wird die Kombination aus hoch-bitratig übertragenden W-LANs und 3G Mobilfunksystemen bezeichnet, wobei W-LANS nur an sogenannten hot spots erwartet werden. Stichwort : always best connected Walke/Althoff/Seidenberg UTMS ein Kurs, 2. Auflage Hersteller wie Ericsson haben bereits die Entwicklung der multifunktionalen Geräte angekündigt PSTN Andere All-IP UMTS-Netzwerke Internet CN MG GGSN SGSN SGSN SGSN UMTS Radio Network WLAN Distribution System Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 15

16 Offene Fragen Fragen, die von der Diplomarbeit zu beantworten sind: Wie soll die Dienstgütevereinbarung zwischen der mobilen Station und dem UMTS-Netz erfolgen? Voraussichtliche Antwort: ein auf RNAP aufbauendes Framework Welche Architektur und welche Algorithmen haben die neu zu entwickelnden Komponenten für einen QoS-sicheren Handover? Voraussichtliche Ansätze: Zentralisierter Ansatz Verteilter Ansatz Hierarchischer Ansatz Wie Leistungsfähig sind die einzelnen Ansätze? Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 16

17 Warum reicht RNAP nicht aus? Frage: Warum reicht das herkömmliche RNAP-Framework nicht aus? HRN NRN NRN IP-Netz HRN IP-Netz NRN NRN IP-Netz IP-Netz Zentrale Verwaltungseinheiten führen zur schlechten Skalierbarkeit Eine Routenänderung (z.b. infolge der Mobilität) führt zu einer Neuverhandlung zwischen dem Nutzer und dem Netz Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 17

18 Vorgehensweise Phase 1: Vorbereitung Definition des Modells für ein All-IP UMTS Netzwerk (Netztopologie, Lastmodelle, Bewegungsmuster der mobilen Stationen, Fehlermodelle...) Definition der Anforderungen an das QoS-Framework für ein All-IP UMTS Netzwerk Phase 2: Entwurf des QoS-Frameworks Architektur des QoS-Frameworks Protokolle Algorithmen Phase 3: Simulation Implementierung des Modells für das All-IP UMTS Netzwerk ins2 Implementierung der entwickelten Protokolle und Algorithmen in ns2 Phase 4: Bewertung Entwicklung der Metriken Bewertung der entwickelten Protokolle und Algorithmen Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 18

19 Zeitplan Einleitungsvortrag Abschluss Juni Juli August September Oktober November Dezember Modell- und Szenariodefinition 0% Entwurf 0% Implementierung und Simulation 0% Definition der Metriken, Bewertung 0% Schriftliche Ausarbeitung 0% Einleitungsvotrag zur Diplomarbeit, Institut für Informatik IV, Universität Bonn 19