Zápisky z článku "Infrastructure Support for Adaptive mobile Applications"

Odkaz: ftp://ftp.comp.lancs.ac.uk/pub/mpg/MPG-96-40.ps.gz.
Úvod

Článek diskutuje o platformách distribuovaných systému a standardizacích otevřeného distribučního zpracování v mobilním prostředí.

Prostředí mobilních sítí

Dostupnost bezdrátových síťových technologií vedla k rozvoji mnoha datových služeb. Nástrojem k poskytování těchto služeb byly modemy, které se připojovaly k analogovým telefonům. Takové linky byly ovšem velmi nekvalitní a zanášely do přenášených dat množství chyb. Reprezentantem takového přístupu byla třeba technika MNP5, která přenášela rychlostí až 2.4 Kbps. Rozvoj digitálních celulárních služeb jako GSM otvíral možnost spolehlivé komunikace rychlostí až 9.6 Kbps. Kromě přenosu hlasu byly do GSM standardu začleněny i datové služby.

Některé předpoklady ovlivňující mobilitu:

Mobility requires adaptability.

Cíle

Zkoumají se aspekty poskytování podpory infrastruktury do rozšířených aplikací v heterogenním síťovém prostředí. Cíle jsou např. zkoumat stav výpočetních mobilních zařízení a poskytnout využití existujících výzkumů a podpory bezdrátových síťových technologií, studovat podpůrné požadavky mobilních aplikací, které by umožňovaly zdokonalit operace v heterogenním síťovém prostředí, rozvinout sadu nástrojů umožňujících současným distribuovaným systémům podporvat adaptivní mobilní aplikace, implementovat adaptace technologií v distribuovaných systémech, začleňovat nové prvky a techniky skrze design, implementace, ...

Dostupné technologie pro mobilní výpočty

Cíl této kapitoly je poskytnout přehled současných přenosných koncových systémů a bezdrátových komunikačních technologií.

Koncové technologie (End-system Technologies)

Koncové technologie mohou být volně rozděleny na dvě nezávislé vývojové cesty: přenosné počítače - portable computers (PC) a personal digital assistants (PDA). Tyto dvě třídy reprezentují nejčastější platformy pro potenciální mobilní aplikační vývojové platformy.

Mobilní počítače

Jsou výsledkem neustálého trendu miniaturizace HW pro přenosné použití. Nabízí tytéž nástroje jako nepřenosné. Primární omezení další redukce rozměru je rozměr displeje obrazovky.

Tyto počítače byli vyvinuty ve fyzicky menší velikosti než arch rozměru A4. Další odvozeninou je elektronický notebook, což je systému určený namíru obvyklým papírovým poznámkovým blokům. Od června 1989 Personal Computer Memory Card International Association (asociace softwaru, počítačů a periférií více známa jako PCMCIA) vyvíjela nechráněny standard pro paměťové moduly o velikosti kreditní karty - PCMCIA karta.

Personal Digital Assistants

PDA design je založen na podobných předpokladech jako kalkulačka: zajištění sady užitečných nástrojů (typicky organizačních) bez požádavku podpory nějaké specifické HW architektury. Nové nástroje mohou být napsány na mnoha úrovních HW abastrakcí, jako assembler či C. Navíc většina PDA podporuje přenostné vyšší skriptovací jazyky.

Cílem tvořitelů PDA je vyrobit počítač, který může být pohodlně držen v dlani jedné ruky s přirozeným uživatelským rozhraním, typicky řízené dotykem. Poskytuje integrované prostředí s nástroji jako diář, notebook, adressbook, kalkulačka a obvykle malá databáze.

PDA mají svá omezení, malý rozměr, požadavek dlouhé životnosti baterií a požadavek na rozšíření. Obvykle mají sériový port a k překonání připojovacích omezení i zabudovaný infraport.

Analýza

Jak PC, tak PDA nabízí možností pro mobilní výpočty, ačkoli každá technologie na odlišný druh aplikací. U PDAje díky malému monochromatickému displeji a omezené paměti obtížné psát komplexní aplikace, ale velká životnost baterií a malý rozměr umožňuje snadné přenášení tohoto zařízení. PC nabízí vyšší výpočetní výkon, ale malá životnosti baterií nám nedovolí se příliš vzdalovat od elektrického zdroje. LCD technologie není použitelná při přímém slunečním záření. Hodí se k aplikacím, kdy uživatel se sice často přemisťuje, ale nepoužívá zařízení přímo při převozu.

Komunikační technologie

Předchozí kapitola pojednávala o koncových přenosných systémech. Tato diskutuje o bezdrátových komunikačních technologiích, které mohou být použity k umožnění mobilním aplikacím vyměňovat informace a využívat vzdálených prostředků. Technologie jsou rozděleny na dvě oblasti: wide-area a local-area. První kategorie se týká systémů, které poskytují pokrytí nějaké geografické oblasti. Naproti tomu local-area technologie jsou určeny především pro použití třeba uvnitř budovy. Typicky nabízí vyšší přenosové pásmo.

Wide-Area komunikační technologie

Základní představa

Bezdrátové systémy používají mnoho rozdílných způsobů k poskytnutí pokrytí oblasti. Jeden s nejjednoduších přístupů je jednoduchá spuštění základního staničního vysílače/přijímače (single base station), který obsluhuje několik méně výkonných mobilních vysílačů/přijímäčů (dále vysílačů). Pokrytí systému je pak funkce viditelnosti základního staničního vysílače, vzájemné působení okolního budov a strojů, a síly základní stanice a mobilních vysílačů.

Běžné rozšíření tohoto přístupu je rozdělit dostupné komunikační přenosové pásmo do několika jednotlivých kanálů k zvýšení poštu uživatelů, kteří mají přístup k dané části radio spektra. Tento proces, nazývaný trunking vyžaduje protokol, aby byl založen mezi základní stanicí a mobily k určení, který mobil je umístěn na jakém kanálu a v kterou dobu. Každý kanál je vytvořen kombinací jednotek frekvencí, časem nebo přístupovým vzorem (frekvence, čas, rozdělení kódu). Typicky, kanály jsou organizovány do jednoho řídícího kanálu a jednoho či více datových kanálů. Řídící kanál nese instrukce a žádosti z a do mobilů k vytvoření a zrušení spojení na každém datovém kanálu. Non-trunked (nekmenové) systémy nenesou spojení nebo volání přes síť. Místo protokolů lze použít řízený přístup nebo sdílený kanál "na žádost".

Dalším jednoduchým přístupem je "open channel" schema. Každý mobil operuje na stejné frekvenci nebo kanálu a může poslouchat nějaké vysílání v jeho pásmu. Typicky social protokol je obsluhován uživateli systému k předepsání, kdo může mluvit v jakou dobu. Nejsilnější vysílač (obvykle nejbližší) vítězí. Rozšíření tohoto přístupu je "ad hoc" síť. Ta nemá formalizovanou strukturu - má filosofii peer-to-peer. Místo přenosu zvuku, jsou přenášena data a znovu vysílána, každým uživatelem k rozšíření pokrytí systému. Jsou efektivní pouze ve vhodně hustých obsazených uživatelských komunitách.

Pásmo jednoduché základnové stanice je omezeno vysílací silou mobilů, která je střídavě funkcí požadované životnosti baterek jednotky. Každá BTS má střídavě omezený počet frekvencí pro své použití. Jak bylo již zmíněno dříve, tyto frekvence mohou být multiplexovány k zvýšení počtu mobilů podporovaných základnovou stanicí. Nicméně pro daný rozsah frekvencí je určité omezení v počtu mobilů, které mohou být podporovány danou základnovou stanicí.

Běžný způsob obejití omezení výkonu a kapacity je provozovat multiple base station (MBS), které jsou rozmístěny tak, aby pokrývaly dané geografické území. PRacují společně, což umožňuje zasílání zpráv z jednoho mobilu na druhý přes MBS uživateli jiné sítě. Rozměry a umístění MBS může být zvoleno podle hostuty uživatelů. Např. hustší oblasti budou pokryty větším množstvím MBS k zvýšení efektivního počtu dostupných kanálů. KAždá sousední buňka vysílá na jiných frekvencích, aby při přepojování nedocházelo k interferenci.

Základnové stanice obvykle umisťují svou antény na vyvýšená místa (vrcholky kopců, střechy budov). Alternativním přístupem jsou antény k orbitálním geostacionárním družicím.

Privátní služby

Následující část pojednává o nejobvyklejších dostupných soukromých wide-area komunikačních službách. Proto uživatelé systému nakupují celý všechny komponenty vysílače včetně mobilů a základnových stanic. Soukromě vlastněné radiové služby jsou obvykle nazývány jako "private mobile radio" nebo PMR systém. Mohou být ve dvou technologiích: analogové a častěji digitální služby.

Analogové PMR technologie --- tyto systémy se obvykle řídí jedním ze standardů MPT 1327/43 nebo PAA 2424 data signalling standards. Tyto stadardy definovány v Británii, resp. Francii, a jsou velmi podobné. Liší se pouze ve vysoce technických věcech. Pro naši úroveň popisu jsou oba standardy ekvivalentní, takže se zaměříme na britský standard.

MPT 1327 PMR systém se skládá z řídícího kanálu a jednoho či více datových kanálů. Řídící kanál se používá k umožnění a odstranění volání V datových kanálech. Standarní podporovaná rychlost je 1.2 Kbps, ačkoli MPT 1343 standard povoluje nepředepsaná data rychlosti do 4.8 Kbps.

DigitálnÍ PMR technologie --- v roce 1988 ETSI začala pracovat na radio-standardu TETRA. Ten podporuje 4 kanály v přenosovém pásmu 25 KHz (s možností, že v budoucnu musí být možné podporovat dva kanály v pásmu 12.5 KHz.) TETRA pracuje s TDMA strukturou založenou na jednotce času 14 ms (kvůli kompatibilitě s existující technologií kódování hlasu.) Předávání mezi buňkami je iniciováno zařízením klienta (to je zajímavá vlastnost TETRA). Klient může naslouchat silnější základní stanici a informovat akutální server, aby předal jeho své spojení novému serveru. Alternativně mobil může řídit celý proces tím, že kontaktuje server sám. Zatímco tento přístup vede ke komplexnějšímu klientovi, technika je určitě škálovatelnější než centrálně řízené architektury a má potenciál pro flexibilnější model.

Protokol byl vyvíjen na podporu hlasu, hlasu a data nebo jen pro datové služby. Protokol může využít následně volné časové skuliny v malém nahraném systému pro řízení provozu příchozích volání pod 100ms. V režimu hlas a data, hlasové časové skuliny, které neobsahují hovor, jsou ukradeny pro přenost dat. Protokol také podporuje packet data optimised (PDO) režim, ve kterém všechny časové skuliny jsou sloučeny do jednoho přenosu. V PDO režimu je možná přenosová rychlost 19.6 Kbps.

Produkty Je mnoho podniků prodávajích PMR služby. Např. v Americe je to ARDIS. ARDIS měl v r. 1995 1300 BTS a pokrýval 80 procent americké populace. Byl uprgradován z 4.8 Kbps na 19.2 Kbps v US a na 9.6 Kbps v Evropě - PC Karta.

Účastnické služby

Účastnické služby jsou narozdíl od PMR systémů plně vlastněny společnostmi, které se specializují na nabídku komunikačních služeb ostatním. Tyto služby mohou zahrnovat pronajímání vybavení mobilního terminálu, aj. Tato část popisuje dvě formy účastnických služeb: vlastní datové služby a mobilní celulární telefonování.

Vlastní datové služby, zejména mluvení jsou vyvinuté k službám jednotlivého trhu. Tato část popisuje dvě takové technologie: Paknet a Mobitex. Tyto technologie byly vybrány jako reprezentativní a široce rozvinuté.

Paknet --- je vlastní (proprietární) mobilní datová síť nyní plně vlastněná Vodafone. Původně koncipovaná jako náhrada za pevné telefonní linky k převodu kapitálu ze strojů prodejního místa, byla rozšířena i pro mobilní uživatele.

Mobitex --- používá selekci vysílání vícenásobného přístup (CSMA) techniku. Každá stanice periodicky posílá čistící zprávu obsahující svou identifikaci a síťový parametr. Když si mobil přeje vysílat, musí počkat na tzv. volný signál, který říká, že dalších pár okamžiků je možné použít pro náhodné pokusy o přístup. První mobil, který získá přístup, je akceptován. Ostatní mobily musí opět počkat na volný signál, atd. Mobitex radio modemy jsou dostupné pro IBM typu III PC card format či integrované na motherboard IBM ThinkPad portables.

Analogové mobilní telefony (AMPS/TACS) Veřejné celulární mobilní telefonní sítě se dlouho braly jako rozšíření public switched telephone network (PSTN). K dosažení přenosu dat se k PSTN připojil modem. Na druhou stranu přesto jde stále primárně o přenos hlasu. Ve Velké Británii se dva největší poskytovatelé celulárních sítí, Cellnet a Vodafone, přizpůsobili různým strategiím k obsluze mobilních dat.

Cellular Digital Packet Data (CDPD) - Snaha v US vedla k rozšíření datových služeb (založených na přenášení paketů), které překonaly infrastrukturu analogových telefonních sítí.

GSM --- Global System for Mobile Communications --- jedná se o digitální mobilní telefonní standard, původně navržený pro Evropu, jež byl později přenesen i do neevropských zemí. Je založen na technologii ISDN přizpůsobené na práci v mobilním prostředí (tedy i na nižší rychlost přenosu. Základní rychlost ISDN je 64 Kbps.)

Základnová stanice GSM pracuje s několika nosiči (každý podporuje 8 kanálu, které se časově multiplexují). Každý z těchto kanálů pokrývá frekvenční pásmu 200 kHz a podporuje rychlost uživatelských dat 9.6 Kbps. Standard zahrnuje mechanismus pro rozdělování jednotlivých kanálů do dvou kanálů s poloviční kapacitou, každý poskytuje kapacitu 4.8 Kbps. Každý nosič používá stejnou slot strukturu pro oboje --- hlas i data, což povoluje mixování.

Díky digitálním standardu GSM v něm nejsou vyžadovány modemy. Nicméně je nezbytné poskytnou brány (gateways) dat k zařízení sítí jako je PSTN. Tyto brány, známé jako interworking functions, poskytují převedení analogových služeb do VMACS používaného v síti Vodata.

GSM standard nabízí jak transparentní, tak i netransparentní datové služby. Transparentní služby negarantují integritu dat, ačkoli podíl bitových chyb je udržován na hodnotě okolo 1/1000 (pokud se podmínky zhorší, potom se provede převedení do lepšího kanálu a když žádný již není, spojení se zrušeno). Menší poměr bitových chyb je možný při snížení rychlosti dat. Díky vlastnosti nosiče TDM, může být očekáváno pevné zpoždění 100ms.

Spolehlivé služby používají radio-link protokol (RLP) založený na HDLC. RLP poskytuje detekci chyb použitím 24bitového součtu s FEC a ARQ. Celková rychlost dat GSM-kanálu je 22.8 Kbps, povolením synchronizace a dalších doplňků přináší neupravenou rychlost 12 Kbps. Dalších 10% kapacity je rezervováno pro ARQ, zůstane tedy uživatelská rychlost dat 9.6 Kbps při typických poměrech bitových chyb. Obě (transparentní i netransparentní) datové služby jsou spojově orientiovány, nicméně jsou vyvíjeny i nespojované služby.

Kromě hlasových a datových služeb nabízí GSM short message service (SMS). SMS povoluje obousměrné datové zprávy do 160 znaků, aby byly vysílány přes řídící kanál. Oproti jiným službám je SMS nespojovaná a nabízí ukládání a možnost forwardovat zprávu. Nad to zpráva může být broadcastována do všech mobilů. Tato poslední služba podporuje informační služby jako je paging nebo road traffic information.

Práce na rozšiřování standardu GSM pokračují a poskytují dvě nové služby: High Speed Circuit Switched (HSCSD) a General Packet Radio Services (GPRS). HSCSD používá struktury GSM, a sice TMDA k vytvoření více časových skupin (slotů) do jednoho spojení, efektivním zvýšením rychlosti dat. Protože každé hlasové nebo datové spojení obsahuje jeden timeslot (s rychlostí dat 9.6 Kbps), HSCSD služba může nabízet potenciální maximum 76.8 využitím všech 8 časových slotů (současná specifikace nabízí 64 Kbps k propojení s ISDN.)

Služba GRPS nabízí paketově orientované datové služby s rozsahem od 14 Kbps do 115 Kbps (1--8 časových slotů, celková rychlost) zaměstnáním týchž časových slotů grabovací technikou jako HSCSD. Systém je navržen na integraci s X.25 a TCP/IP sítěmi skrze nové síťové funkce.

Ostatní služby

Tato část bude pojednávat trochu o dalších rozšířených technologiích, o kterých jsme ještě nemluvili. To zahrnuje i světově rozšířené služby jako je paging či služby založené na satelitní komunikaci.

Paging Services --- Systém pagging se pokouší poskytovat komunikaci po celém světě, je podporovaný stovkami i tisíci účastníků, bez ohledu na jejich místo pobytu. Je založen na několika jednoduchých podmínkách: zprávy jsou jednosměrné (vysílané pouze účastníkovi), každá zpráva se skládá z malého počtu alfanumerických znaků a přímá propustnost není problém.

Ve Velké Británii v roce 1975 vznikla organizace the Post Office Code Standardisation Adisory Group (POCSAG), aby vyvíjela digitální paging standardy, které by byly přijatelné pro celou Evropu. Služba POCSAG paging pracuje v 512 Kbps (přeloží 15 volání za sekundu). Číselné stránky mohou být poslány užitím 4 bitových kódů, které definují 16 symbolů včetně numerálů a závorek. Stránky mohou být označeny identifikátorem, který říká, že zpráva se skládá ze 7-bitových ASCII kódů.

POCSAG pagingová služba se skládá z množství buněk. Ty jsou sdružovány do větších a menších buněk podle hustoty obyvatel. Oblastem s vyšší hustotou je přidelěno více časových slotů než oblastem s nižší hustotou. Když je uživatel pagován, zpráva je poslána do všech buněk.

British Telecom Mobile Communications (BTMC) spravují pagingovou službu založenou na satelitu pokrávající většinu Evropy. Na otevřených silnicích a komunikacích je služba schopna doručit téměř 100% zpráv, ačkoli v mětských či zalesněných oblastech je to jen kolem 35%.

Jeden z takových systémů nové generace se nazývá PCSAT 100. Používá podobnou technologii, nabízí teoreticky rychlost přenosu dat až 57.6 Kbps. Nové generace pagerů jsou vyvíjeny, aby nabízeli obousměrné služby. Tato technologie je nabízena třeba SkyTelem nebo Motorolou. Uživatelé mohou reagovat na zprávy množstvím předem naprogramovaných odpovědí. Navíc pagery se mohou propojit se seriových rozhraním přenosných počítačů a umožňují posílat zprávy i do 500 bytů. Obecné pagery, které se zasouvají přímo do slotu PC také nabízí standardní LCD display pro samotné použití --- to nabízí Socket Communications.

Služby založené na satelitu --- od roku 1988 americká společnost QUALCOMM nabízela satelitní systém zasílání zpráv známý jako OmniTRACS, který poskytoval obousměrnou datovou komunikaci. Náročnější systém zvaný Iridium byl vyvíjen Motorolou. Tento digitální osobní komunikační systém byl navržen pro celosvětové pokrytí. Každý kanál Iridia používá frekvenci přenosového pásma 8 KHz, který je kódována hlasovým kodérem/dekodérem rychlostí 4.8 Kbps. Alternativně každým kanálem může běžet data rychlostí 2.4 Kbps. Navíc k těmto službám síť bude poskytovat časové (GMT) a polohové (GPS) služby svým klientům. Tento systém je ve vývoji.

Vstříc pokračující konektivitě

V předchozích částech jsme představovali representativní příklady některých současných bezdrátových síťových technologií. Jejich přehled s některými charakteristikami vidíte v následující tabulce:
Technologie Propustnost Rozsah
Odpojené od sítě 0bps nepoužitelný
Pager 0--512bps obrovský
Satelit 2.4--4.8Kbps obrovský
TACS/AMPS 1.2--4.8Kbps široký
CDPD/GSM 2.4--9.6Kbps evropský
PMR (MPT1327) 1.2--9.6Kbps široký
TETRA 9.6--19.2Kbps široký
CDPD 4.8--9.6Kbps široký
Metricom 9.6--28.8Kbps městský
DECT 32--256Kbps místní
Bezdrátové LAN 256Kbps--10Mbps místní
Ethernet 1--10Mbps místní
ATM 25--150 místní a široký

Každá síť má několik charakteristik. Je vidět, že charakteristiky uvedené ve 2. a 3. sloupku tabulku jsou v nepřímém závislostním vztahu.

Podpora pro mobilní aplikace

Tato část ukazuje určitý přehled současných výzkumů a zdůrazňuje 2 základní možné přístupy k mobilitě: transparentní či netransparentní. Pomocí argumentů se dochází k závěru, že transparentní přístup není pro podporu rozvinutých aplikací.


Přeložil a zpacoval: Michal Řada, Prosinec 1999 --- Leden 2001, MFF UK Praha