Kopioi artikkelin PDF-versio
Viime vuosien kehitys on tuonut tullessaan laajan kokoelman keskenään erilaisia verkkoteknologioita. Maailmanlaajuisen standardointi- ja tutkimustyön tärkeänä haasteena on kehittää menetelmiä, jotka mahdollistavat liikkuvan käyttäjän siirtymisen eri verkkojen ja teknologioiden välillä saumattomasti ja joustavasti.
Liikkuvuuden tuki on ollut alusta lähtien erottamaton osa matkapuhelinverkkoja. Samaa standardia käyttävien matkapuhelinverkkojen välillä liikkuvuuden tuki, ja verkkovierailujen mahdollisuus, on toteutettu teknisesti tehokkaalla tavalla OSI-mallin mukaisesti siirtoyhteyskerroksen avulla.
Internet-tutkimuksessa liikkuvuuden merkitys on korostunut vasta viimeisten vuosien aikana. Tietokoneverkkojen tapauksessa Mobile IP -standardin valmistuminen on taannut sen, että kannettavia tietokoneita voidaan saumattomasti siirrellä eri verkkoihin IP:n avulla.
Perinteisen tietokone- ja tietoliikenneverkon konvergenssin myötä tulevaisuuden päätelaitteiden tulee voida liikkua saumattomasti erilaisten verkkojen välillä. Jo nyt on havaittavissa mielenkiintoisia palveluskenaarioita, joista yksi esimerkki on automaattisen IP-yhteyssiirron toteuttaminen langattomien paikallisverkkojen (WLAN) ja GSM:n tulevan pakettiverkon (GPRS) välillä.
Toisaalta rakenteettomiin, niin sanottuihin ad hoc -verkkoihin, on monella taholla kehitetty reititysprotokollaa, joka toisaalta reagoisi nopeasti verkkotopologian muutoksiin, mutta toisaalta kuluttaisi mahdollisimman vähän langattoman verkon ja siirrettävien päätelaitteiden rajallisia resursseja.
Vertikaaliset yhteydet
Vertikaalisilla yhteydensiirroilla (vertical handovers) tarkoitetaan erilaista teknologiaa käyttävien verkkojen välisiä yhteyden siirtoja. Periaatteessa tällainen yhteydensiirto voidaan toteuttaa Mobile IP:n agentteja hyväksi käyttäen, mutta monille sovellutuksille tämä on hidas ja huonosti skaalautuva ratkaisu.
Käytännössä tutkimus onkin keskittynyt rakentamaan erilaisia hierarkkisia rakenteita, joissa normaalia Mobile IP:tä käytetään ainoastaan perusrakenteena. Solujen väliset siirrot, mikromobiliteetti, toteutetaan jollakin muulla mekanismilla, joka saattaa pohjautua skaalattuun Mobile IP:hen tai johonkin muuhun ratkaisuun. Samoin kuin matkapuhelin verkoissakin, pelkän toimivan teknisen ratkaisun löytäminen ei ole riittävää. Käytettävän algoritmin tulisi olla myöskin vähän energiaa ja prosessoriaikaa kuluttava.
Kuvan 1 verkossa on nähtävissä sekä aliverkon sisällä tapahtuvaa mikromobiliteettia että aliverkkojen välillä tapahtuvaa makromobiliteettia. Vihreällä päätelaitteella on kaksi verkkoliittymää, yksi kumpaankin eri verkkoteknologiaan. Saman aliverkon sisällä se voi mikromobiliteetin hallinnan avulla siirtyä saman aliverkon sisällä eri teknologioiden (tukiasemien) välillä. Tätä kutsutaan verktikaaliseksi mikromobiliteetiksi.
Horisontaalinen mikromobiliteetti puolestaan tarkoittaa sitä, että mobiliteettia hallitaan saman teknologian sisällä. Eri teknologioiden standardit määrittelevät yleensä keskenään varsin erilaiset siirtoyhteiskerroksen protokollat, jolloin niiden suora yhteensovittaminen on varsin vaikeaa. Tällöin on järkevä siirtyä protokolla-pinossa porrasta ylemmäksi ja hallita vertikaalista mobiliteettia verkkokerroksessa IP:n avulla.
Aliverkon sisällä tapahtuvan mikromobiliteetin lisäksi mobiliteettia voi tapahtua eri aliverkkojen välillä. Tällöin puhutaan makromobiliteetista. Mobile IP suunniteltiinkin alunperin nimenomaan makromobiliteetin hallintaan. Edelleen makromobiliteetti voi tapahtua joko saman tai eri teknologioiden välillä. Täten mobiliteetin hallinnan haasteet jakautuvat neljään kategoriaan: vertikaalisen ja horisontaaliseen mikro- ja makromobiliteettiin.
Ad hoc eli verkkoja tyhjästä
Langaton ad hoc -verkko on rakenteeton verkko, joka koostuu langattomista siirrettävistä päätelaitteista, jotka voivat keskustella keskenään. Ad hoc verkoissa laitteet kommunikoivat toistensa kanssa ilman kiinteää arkkitehtuuria.
Perinteisesti ad hoc -verkot ovat tarkoittaneet langattomien siirrettävien tietokoneiden muodostamia verkkoja. Nykyään on kuitenkin merkkejä tämän verkkomallin siirtämiseksi myös muita langattomia tekniikoita käyttäviin päätelaitteisiin. Tulevaisuudessa esimerkiksi älypuhelimet ja PDA-laitteet voivat muodostaa tarvittaessa ad hoc -verkkorakenteita.
Ad hoc verkossa jokaisen laitteen täytyy tarvittaessa välittää toisten liikennettä, joten lankaverkossa oleva jako päätelaitteisiin ja reitittimiin ei sovellu ad hoc -verkkoon. Reitittimeksi päätelaite voi joutua esimerkiksi tilanteessa, jossa kaksi toistensa kantaman ulkopuolella olevaa laitetta haluaa keskustella keskenään. Tällöin päätelaitteet, jotka sattuvat olemaan näiden kahden välissä joutuvat välittämään niiden liikenteen. Reitti päätelaitteesta toiseen voi siis koostua useammasta linkistä toisin kuin solukkoverkoissa, joissa tukiasemalla on aina suora linkki liikkuvaan päätelaitteeseen.
Kuvassa 2 on esitetty ad hoc reititystä vaativa tilanne, jossa laite A haluaa kommunikoida laitteen B kanssa. Koska laite B ei ole laitteen A kantaman sisällä, pitää laitteen A yrittää löytää jollain keinolla reitti, jota pitkin se voi kommunikoida laitteen B kanssa.
Tutkimusongelmana on löytää mekanismeja, joilla IP-verkko ja sen langattomat laajennukset voivat sopeutua nopeasti muuttuvaan verkkotopologiaan. Solukkoverkkojen ja perinteisten IP-verkkojen tapauksessa on verkossa aina riittävästi infrastruktuuria ja muutokset tapahtuvat niin hitaasti, että erilaiset automaattiset järjestelmät (kuten Mobile IP) ja ylläpito ehtivät taata verkon toimivuuden.
Yhteydet kuntoon pienellä virralla...
Rakenteettomien ad hoc -verkkojen tapauksessa verkossa katoaa ja syntyy jatkuvasti uusia kommunikoivia laitteita. Laitteiden tulisi itseorganisoitua verkoiksi suurella nopeudella. Tällaisten järjestelmien toteuttaminen on kuitenkin varsin vaikeaa johtuen itseorganisoituvuuden vaatimuksista ja virrankulutuksen optimointitarpeesta.
Perinteisesti ad hoc -verkkoja ovat tarvinneet teknisesti kehittyneet sotavoimat. Yhdysvalloissa itseorganisoituvien rakenteettomien verkkojen tutkimuksen suurimpia rahoittajia onkin asevoimat.
Vaikka pelkät ad hoc -verkot ovat itsessään mielenkiintoinen tutkimuskohde, useissa käytännön tilanteissa ne täytyy liittää osaksi solukkoverkkoa, joka saattaa pohjautua esimerkiksi GPRS- tai WLAN-tekniikoihin. Tällöin ongelmaksi muodostuu löytää tehokas yhteystapojen valintatapa ja signalointiin käytettävän tietoliikenteen määrä tulisi minimoida.
Rakenteettomien ad hoc -verkkojen tapauksessa palaamme myös yhteydensiirto-ongelmaan. Päätelaitteiden on pystyttävä päättämään, milloin ne haluavat kuulua ad hoc -verkkoon ja milloin on parempi käyttää rakenteellisen solukkoverkon palveluja. Tutkimustulokset osoittavat, että erityisesti virrankulutuksen optimointi asettaa erittäin voimakkaita rajoituksia sekä algoritmien kehittämiselle että toteuttamiselle. Yhteistyö vähän virtaa kuluttavan elektroniikan tutkijoiden kanssa on välttämätöntä, jota virrankulutuksen logistiikka ymmärrettäisiin riittävällä tasolla.
Älykkäät yhteydensiirrot
Heterogeenisten verkkojen yhteydensiirtoihin sisältyy myös optimoinnin erikoisproblematiikkaa. Jo pelkästään IP-yhteyden siirtäminen verkkojen välillä on hankala teknologinen ongelma. Sen lisäksi verkonvaihtamispäätös ei ole yksikäsitteinen optimointiongelma. Normaalisti yhteydensiirto radioverkossa toteutetaan sen jälkeen, kun päätelaite tai tukiasema huomaa signaalin tehon laskeneen niin alhaiseksi, että siirto paremmin kuuluvaan tukiasemaan kannattaa toteuttaa.
Heterogeenisissä verkoissa myös palvelunlaatu vaikuttaa päätökseen oleellisesti. Pelkkä signaalin voimakkuus ei voi toimia ainoana päätöksen teon tukena. Esimerkiksi käyttäjä saattaa haluta pysyä mahdollisimman kauan nopeimman mahdollisen verkon alueella tai hän saattaa haluta välttää siirtymistä kalliimpaan verkkotekniikkaan, kuten GSM-dataan. Tällöin yhteydensiirrosta vastaava algoritmi joutuu tekemään hyvinkin monimutkaisia päätelmiä palvelun laatutasosta, todennäköisestä kuuluvuudesta ja käyttäjän mieltymyksistä. Kun tähän ongelmaan liitetään vielä tulevat paikkasidonnaiset palvelut ja paikannusmenetelmät ollaankin optimoinnin ja teletekniikan kannalta melkoisessa viidakossa.
Neuroverkkoihin ja sumeaan logiikkaan perustuvat menetelmät ovat osoittautumassa lupaavaksi ratkaisuksi yhteydensiirtopäätösten toteuttamisessa. Ongelma on kuitenkin erittäin monitahoinen ja vaatinee vielä vuosien tutkimustyön, ennen kuin tehokkaita yleispäteviä algoritmeja päästään soveltamaan käytäntöön.
WINNER linkittää teemoja
Oulun yliopiston ja VTT:n yhteisessä Winner-projektissa (Wireless Intertechnology Net-works with Optimized Data rates) tutkitaan samanaikaisesti heterogeenisten verkkojen yhteydensiirtoja ja rakenteettomien verkkojen organisointia. Projekti pyrkii linkittämään yhteen nämä kaksi toisistaan riippuvaa tutkimusteemaa siten, että optimointi voitaisiin toteuttaa kokonaisjärjestelmän toiminnan kannalta tehokkaasti. Hankkeessa myös yhdistetään verkko- ja protokollatason tutkimustyötä varsinaiseen radiorajapintaosaamiseen. Näissä suhteissa hanke on kansainvälisestikin harvinaisuus.
Aiheesta enemmän
Winner-projekti: http://www.cwc.oulu.fi/winner/
Centre for Wireless Communications: http://www.cwc.oulu.fi
VTT Elektroniikka, Wireless Internet Laboratory: www.ele.vtt.fi/wil/
Internet Engineering Task Force http://www.ietf.org
Mobile IP WG: http://www.ietf.org/html.charters/mobileip-charter.html
MANET WG: http://www.ietf.org/html.charters/manet-charter.html
Spatial Location BOF: www-nrc.nokia.com/ietf-spatial/
Aiheesta tehtyjä julkaisuja ja linkkejä: www.cwc.oulu.fi/~over/publications.html
Anne Lehti (FM) toimii tutkijana VTT Elektroniikan Wireless Internet Laboratoriossa ja vastaa Winner-projektin ad hoc -verkkojen tutkimuksesta. Hän valmistelee väitöskirjaansa ad hoc -verkkojen älykkäästä reitityksestä.
Matti Latva-aho toimii professorina Oulun Yliopistossa ja on Centre for Wireless Communications tutkimusyksikön johtaja. Hän on Winner-hankkeen vastuullinen johtaja.
Petri Mähönen toimii VTT:n tutkimusprofessorina ja on Wireless Internet Laboratorion tieteellinen johtaja. Hän toimii Winner-hankkeen tieteellisenä johtajana.
Yhteystieto: mika.ylianttila@oulu.fi
Tutkimushanke: Winner/Wingip
Yhteistyössä: Nokia Networks, Nokia Mobile Phones, Puolustusvoimat
Teknologiaohjelma: TLX
Mobility in heterogeneous IP networks and mobile ad hoc networks is increasingly becoming the subject of interest in the research and development. Inter-technology mobility is seen as one of the central issues in the becoming fourth generation of telecommunication networks and systems.
IP is seen as the interconnecting protocol, and various schemes for IP mobility management has been introduced, both in micro- and macro-level. There can also be seen different business and usage scenarios around inter-technology mobility. Mobilility management and routing are important, which has been addressed within IETF in Mobile IP and Mobile Ad-hoc Networks (MANET) working groups.
WINNER (Wireless INter-technology Networks with optimizEd data Rates) is a 2 year joint project between Centre for Wireless Communications, University of Oulu and Wireless Internet Laboratory, VTT Electronics. Project develops wireless packet-based communication in hybrid wireless networks. Usage of IPv6 in heterogeneous wireless networks will be in a specific focus.
The project educates researchers to this field and IP-networking overall. Another objective is to contribute to the IETF standardization from the areas of research. The testbed will be an important tool to evaluate research results.
Project is funded by Nokia Networks, Nokia Mobile Phones, Finnish Defence Forces abd TEKES, and is part of TLX technology program. Mika Ylianttila (mika.ylianttila@oulu.fi) is the project manager, Anne Lehti (anne.lehti@vtt.fi) is responsible of ad hoc routing research, Matti Latva-aho (matti.latva-aho@ee. oulu.fi) is administrative manager and Petri Mähönen (petri.mahonen@vtt.fi) is the scientifical leader in the project.