HY 5 32 Συστήματα Ασύρματων Επικοινωνιών Απόστολος Τραγανίτης E-mail: tragani@csd.uoc.gr Τηλ. : 0810 393553 Ενότη

1. HY 532 Συστήματα Ασύρματων Επικοινωνιών Απόστολος Τραγανίτης E-mail: tragani@csd.uoc.gr Τηλ. : 0810 393553 Ενότητα 1 Σημειώσεις στο:www.csd.uoc.gr/~hy532

2. Στοχοι του μαθηματος • Κατανοηση των θεμελιωδων αρχων που διεπουν τις ασυρματες/κινητες επικοινωνιες και δικτυα • Γνωριμια με τα standards και τα συστηματα των ασυρματων/κινητων επικοινωνιων • Ενημερωση για τις συγχρονες τασεις στην ερευνα και στην τεχνολογία των ασυρματων τηλεπικοι-νωνιων

3. Exciting Developments • Internet and laptop & PDA use exploding • 2G/3G cellular communication systems and Wireless LANs (WLANs) growing rapidly • Huge cell phone popularity worldwide • Systems such as Bluetooth, UWB, WUSB, Zigbee, WiMAX etc. opening new doors • Military and security wireless needs • Important interdisciplinary applications

4. Εφαρμογες των ασυρματων επικοινωνιων… Ασύρματες πολυμεσικες επικοινωνίες οπουδήποτε, οποτεδήποτε και για οποιονδηποτε • Εφαρμογές: • Ασύρματες συσκευές υπολογισμων • Ασυρματα τοπικα δικτυα (WLANs) • Ασυρματο Video / μουσικη • Οικιακα δικτυα πολυμεσων • Εξυπνα σπιτια /περιβαλλοντα • Μαθηση εξ αποστασεως • Τηλειατρικη • Συναλλαγες εν κινησει • Δικτυα αισθητηρων • Ad-Hoc Δικτυα • Αυτονομα οχηματα/ρομποτ • Περιορισμοι: • Στην καθυστερηση • Στην ενεργεια • Στο φασμα

5. Always on • Anytime, anywhere and in any form • Voice and multimedia • Self service, intuitive • Simple for the end user • Secure, trusted and reliable Επιθυμητα χαρακτηριστικα των ασυρματων επικοινωνιων…

6. NEAR FUTURE Consumer Entertainment GII Telecommunications AIM Consumer Entertainment Computer information GII Telecommunications Computer information Συγκλιση υπηρεσιων και δικτυων Internet, Broadcasting, Telephony, ... TODAY Consumer Entertainment GII Telecommunications Computer information GII=Gigabit Information Infrastucture

7. Design Challenges • Wireless channels are a difficult and capacity-limited broadcast communications medium • Traffic patterns, user locations, and network conditions are constantly changing • Traffic is nonstationary, both in space and in time • Energy and delay constraints change design principles across all layers of the protocol stack

8. Evolution of Current Systems • Wireless systems yesterday • 2G Cellular: ~30-70 Kbps. • WLANs: ~10 Mbps. • Wireless systems today • 3G Cellular: ~300-3600 Kbps. • WLANs: ~70 Mbps. • Next Generation • 4G IP based Cellular => WLANs • Mesh Networks • Technology Enhancements • Hardware: Better batteries. Better circuits/processors. • Link: Antennas, modulation, coding, adaptivity, DSP, BW. • Network: Dynamic resource allocation. Mobility support.

9. Migration to 3G

10. Global Satellite Suburban Urban In-Building Picocell Microcell Macrocell Basic Terminal PDA Terminal Audio/Visual Terminal 3G: ITU-Developed IMT-2000

11. 4G 3G 2G Future Generations Other Tradeoffs: Rate vs. Coverage Rate vs. Delay Rate vs. Cost Rate vs. Energy Rate 802.11b WLAN 2G Cellular Mobility Fundamental Design Breakthroughs Needed

12. Current Wireless Systems • Cellular Systems • Wireless LANs • Satellite Systems • LMDS • WiMAX • Paging Systems • Bluetooth • Ultrawideband radios • Zigbee radios

13. Συγχρονα συστηματα ασυρματων επικοινωνιων • Ασυρματες ζευξεις απο σημειο-σε-σημειο. • Κυψελοειδή συστήματα (GSM, CDMA, UMTS…) • Ασύρματα τοπικά δίκτυα(WLANs π.χ. Wifi) • Ασύρματα δίκτυα ευρείας περιοχής (WΜANs π.χ. WiMax) • Ασυρματα προσωπικά δικτυα(WΡANs, π.χ. WUSB) • Ασυρματα δικτυα αυθαιρετης δομης (Ad-Hoc) • Δορυφορικα συστηματα • Συστηματα HomeRF, Bluetooth,UWB… • Ασυρματα δικτυα αισθητηρων (Sensor networks) • Δικτυα mesh, autonomic,….

14. Wireless Local Area Networks (WLANs) 1011 0101 01011011 Internet Access Point • WLANs connect “local” computers (100m range) • Breaks data into packets • Channel access is shared (random access) • Backbone Internet provides best-effort service • Poor performance in some apps (e.g. video)

15. Today all WLAN cards have all 3 standards Wireless LAN Standards • 802.11b • Standard for 2.4GHz ISM band (80 MHz) • Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) • 1.6-10 Mbps, 500 ft range • 802.11a • Standard for 5GHz NII band (300 MHz) • OFDM with time division • 20-70 Mbps, variable range • Similar to HiperLAN in Europe • 802.11g • Standard in 2.4 GHz and 5 GHz bands • OFDM • Speeds up to 54 Mbps

16. Satellite Systems • Cover very large areas • Different orbit heights • GEOs (39000 Km) versus LEOs (2000 Km) • Optimized for one-way transmission • Radio (XM, DAB) and movie (SatTV) broadcasting • Most two-way systems struggling or bankrupt • Expensive alternative to terrestrial system • A few ambitious systems on the horizon

17. Paging Systems • Broad coverage for short messaging • Message broadcast from all base stations • Simple terminals • Optimized for 1-way transmission • Answer-back hard • Overtaken by cellular

18. Bluetooth • Cable replacement RF technology (low cost) • Short range (10m, extendable to 100m) • 2.4 GHz band (crowded) • 1 Data (700 Kbps) and 3 voice channels • Widely supported by telecommunications, PC, and consumer electronics companies • Few applications beyond cable replacement 8C32810.61-Cimini-7/98

19. Ultrawideband Radio (UWB) • UWB is an impulse radio: sends pulses of tens of picoseconds(10-12) to nanoseconds (10-9) • Duty cycle of only a fraction of a percent • A carrier is not necessarily needed • Uses a lot of bandwidth (GHz) • Low probability of detection • Excellent ranging capability • Multipath highly resolvable: good and bad • Can use OFDM to get around multipath problem.

20. Why is UWB Interesting? • Unique Location and Positioning properties • 1 cm accuracy possible • Low Power CMOS transmitters • 100 times lower than Bluetooth for same range/data rate • Very high data rates possible • 500 Mbps at ~10 feet under current regulations • 7.5 Ghz of “free spectrum” in the U.S. • FCC recently legalized UWB for commercial use • Spectrum allocation overlays existing users, but its allowed power level is very low to minimize interference • “Moore’s Law Radio” • Data rate scales with the shorter pulse widths made possible with ever faster CMOS circuits

21. IEEE 802.15.4 / ZigBee Radios • Low-Rate WPAN • Data rates of 20, 40, 250 kbps • Star clusters or peer-to-peer operation • Support for low latency devices • CSMA-CA channel access • Very low power consumption • Frequency of operation in ISM bands Focus is primarily on radio and access techniques

22. Data rate 100 Mbit/sec UWB 802.11g 802.11a 802.11b 10 Mbit/sec 1 Mbit/sec 3G Bluetooth 100 kbits/sec ZigBee ZigBee 10 kbits/sec UWB 0 GHz 1GHz 2 GHz 3 GHz 4 GHz 5 GHz 6 GHz

23. Range 10 km 3G 1 km 100 m 802.11b,g 802.11a Bluetooth 10 m ZigBee ZigBee UWB UWB 1 m 0 GHz 1GHz 2 GHz 3 GHz 4 GHz 5 GHz 6 GHz

24. Power Transmission 10 W 3G 1 W 100 mW 802.11bg 802.11a Bluetooth 10 mW ZigBee UWB ZigBee UWB 1 mW 0 GHz 1GHz 2 GHz 3 GHz 4 GHz 5 GHz 6 GHz

25. Emerging Systems • Ad hoc wireless networks • Sensor networks • Distributed control networks

26. Ad-Hoc Networks • Peer-to-peer communications. • No backbone infrastructure. • Routing can be multihop. • Topology is dynamic. • Fully connected with different link SINRs

27. Design Issues • Ad-hoc networks provide a flexible network infrastructure for many emerging applications. • The capacity of such networks is generally unknown. • Transmission, access, and routing strategies for ad-hoc networks are generally ad-hoc. • Crosslayer design critical and very challenging. • Energy constraints impose interesting design tradeoffs for communication and networking.

28. Nodes powered by nonrechargeable batteries Data flows to centralized location. Low per-node rates but up to 100,000 nodes. Data highly correlated in time and space. Nodes can cooperate in transmission, reception, compression, and signal processing. Sensor NetworksEnergy is the driving constraint

29. Energy-Constrained Nodes • Each node can only send a finite number of bits. • Transmit power minimized by maximizing bit time • Circuit energy consumption increases with bit time • Introduces a delay versus energy tradeoff for each bit • Short-range networks must consider transmit, circuit, and processing energy. • Sophisticated techniques not necessarily energy-efficient. • Sleep modes save energy but complicate networking. • Changes everything about the network design: • Bit allocation must be optimized across all protocols. • Delay vs. throughput vs. node/network lifetime tradeoffs. • Optimization of node cooperation.

30. Spectrum Regulation • Spectral Allocation in US controlled by FCC (commercial) or OfficeSpectrumMgmnt (defense) • FCC auctions spectral blocks for set applications. • Some spectrum set aside for universal use • Worldwide spectrum controlled by ITU-R Regulation can stunt innovation, cause economic disasters, and delay system rollout

31. To Ηλεκτρομαγνητικο Φασμα Δικτυα ασυρματων επικοινωνιων (γιατι??)

32. Standards • Interacting systems require standardization • Companies want their systems adopted as standard • Alternatively try for de-facto standards • Standards determined by TIA/CTIA in US • IEEE standards often adopted • Process fraught with inefficiencies and conflicts • Worldwide standards determined by ITU-T • In Europe, ETSI is equivalent of IEEE

33. Περιεχομενο μαθηματος • Εισαγωγη • Η Τηλεπικοινωνιακή Βιομηχανία - Ιστορικα στοιχεια • Τεχνικο υποβαθρο • Σχεδιαση τηλεπικοινωνιακών ζευξεων: • Χαρακτηριστικά καναλιού, • Τεχνικές μετάδοσης δεδομενων • Τεχνολογιες προσπελασης • Δικτυακη υποδομη • Εγκατασταση και επεκταση δικτυου • Διαχειριση κινητικοτητας, μεταπομπης και ασφαλειας • Ασυρματα τηλεφωνικά δικτυα (cellular phone networks) • TDMA – GSM, CDMA – 3G (UMTS) • Ασυρματα τοπικα δικτυα • Δεδομενων – 802.11x (WiFi), 802.16 (WiMAX) • Φωνής (κυρίως) – Hiperlan, Bluetooth • Ad hoc, Mesh

34. Βιβλιογραφία Σημειωσεις μαθηματων στο http://www.csd.uoc.gr/~HY532 Βιβλια • T.R. Rappaport, Wireless Communications: Principles and Practice, Prentice Hall, 1996 or 2002. • Garg&Wilkes, Wireless and Personal Communications Systems, Prentice Hall 1996. • Pahlavan&Krishnamurthy, Principles of Wireless Networks, Prentice Hall 2002. • Andrea Goldsmith, Wireless Communications, Cambridge University Press 2005. • David Tse & Pramod Viswanath, Fundamentals of Wireless Communications, Cambridge University Press 2005.

35. Επισκόπηση ασυρμάτων επικοινωνών

36. Εισαγωγη • Υπαρχουν περισσοτεροι απο 1.8 δισ. χρηστες κινητων τηλεφωνων παγκοσμιως. Θα γινουν πανω απο 2.5 δισ. πριν το τελος του 2007. (update) • Τα εσοδα της βιομηχανιας ασυρματων επικοινωνιων υπερβαινουν τα εσοδα των ενσυρματων. • Το Διαδικτυο(Internet) εφερε την βιομηχανια της επικοινωνιας υπολογιστωναπο το γραφειο στο σπιτι. • Η βιομηχανια μεταδοσης πληροφοριων περιλαμβανει: • Την σταθερη τηλεφωνια • Τις ασυρματες επικοινωνιες • Το Internet • Ειναι αναμφισβητητα η μεγαλυτερη βιομηχανια σε παγκοσμια κλιμακα

37. Χρηστες κινητων τηλεφωνων παγκοσμιως (σε εκατ.) Fixed Lines vs. Mobile Users, worldwide, millions 1'400 Mobile Users 1'200 Fixed Lines 1'000 800 600 400 200 0 1993 1995 1997 1999 2001 2003 Source: ITU World Telecommunication Indicators Database.

38. Fixed, Wireless and Internet Growth 2000 Fixed Mobile Internet Worldwide growth of the fixed, wireless, and Internet communication industries in the past decade

40. Ιστορικα στοιχεια 1

41. Ιστορικα στοιχεια 2

42. Ιστορικα στοιχεια 3 • Εξελιξη των ασυρματων επικοινωνιων φωνης • Υπηρεσια κινητων τηλεφωνων προσεφερε πρωτη η AT&T το 1946. Η υπηρεσια ηταν κινητη αλλα οχι κυψελοειδής. Ο σταθμος βασης ειχε εμβελεια περιπου 100 km. Τα πρωτα συστηματα, βασισμενα στο FM, απαιτουσαν φασμα ευρους 120 KHz για μεταδοση φασματος φωνης 3 kHz. Ογκωδεις συσκευες (εγκατεστημενες σε αυτοκινητα). Μικρη χωρητικοτητα: 50 ή περισσοτεροι χρηστες προκαλουσαν κορεσμο του συστηματος. Η μεθοδος πολλαπλης προσπελασης ηταν η FD (διαιρεση συχνοτητας) • Το επομενο βημα ηταν η χρηση μεθοδωνσυγκαναλωσης (trunking) – χαλαρωνοντας τον περιορισμο της απαιτησης ενος καναλιου για καθε χρηστη. Ετσι ανεπτυχθησαν πομποδεκτες γρηγορου συντονισμου για ερευνα ανευρεσης ελευθερων καναλιων.

43. Ιστορικα στοιχεια 4 • H εννοια της κυψελοειδουςκαλυψης εμφανιζεται στην αρχη της δεκαετιας του 1970. Η κυψελοειδης καλυψη δεν ειναι μια νεα τεχνολογια αλλα μιανεα οργανωση των πορων για καλυψη μεγαλης περιοχης. Η έννοια της κυψελοειδους καλυψης οδηγησε στην εννοια της επαναχρησιμοποιησης της συχνοτητας. • Η ανακαλυψη των μΡ διευκολυνε την υλοποιηση των πολυπλοκων αλγοριθμων ελεγχου που χρησιμευουν κυριως για την υποστήριξη της μεταπομπης (handoff ) δηλαδη την μεταγωγη απο base station σε base station. • Εμφανιζεται ο ψηφιακος ελεγχος των ζευξεων, ξεκαθαριζονται εμποδια στους κανονισμους και αρχιζουν να εγκαθιστανται τα συστηματα 1ης γενεας (1 G) το 1983. • Στην αρχη των 1990s γινεται ψηφιακη μεταδοση της φωνης - συστηματα 2ηςγενιας (2G). Αναπτυσσονται μικροτερες και με μεγαλυτερη διαρκεια μπαταριες. Σμικρυνση των κινητων συσκευων.

44. Ιστορικά στοιχεία 5 Εξελιξη συστηματων κινητης τηλεφωνιας 1982 Αναπτυξη του αναλογικου Nordic NMT 1ηςγενιας 1983 Αναπτυξη του AMPS στις ΗΠΑ 1988 Σχεδιαση του GSM 1988 Αναπτυξη του IS-54 (ΗΠΑ) 1988 Αναπτυξη του CDMA (ΗΠΑ) 1991 Αναπτυξη του GSM 1993 Αναπτυξη του IS-95 (ΗΠΑ) 1995 Δημοπρασιες φασματος για το PCS 1998 Αρχιζει η συνταξη κανονισμων (standards) για το 3G 1999 H ITU επιλεγει 5 τεχνολογιες για το ΙΜΤ-2000 2001 Η ΝΤΤ DoCoMo εγκαθιστα το πρωτο W-CDMA

45. cordlessphones wireless LAN cellular phones satellites 1980:CT0 1981: NMT 450 1982: Inmarsat-A 1983: AMPS 1984:CT1 1986: NMT 900 1987:CT1+ 1988: Inmarsat-C 1989: CT 2 1991: CDMA 1991: D-AMPS 1991: DECT 199x: proprietary 1992: GSM 1992: Inmarsat-B Inmarsat-M 1993: PDC 1997: IEEE 802.11 1994:DCS 1800 1998: Iridium 1999: 802.11b, Bluetooth 2000: IEEE 802.11a 2000:GPRS analogue 2001: IMT-2000 digital 200?: Fourth Generation (Internet based) 4G – fourth generation: when and how? Διαγραμμα Εξελιξης των ασυρματων επικοινωνιων 1980 200x

46. Ιστορικα στοιχεια 6 Εξελιξη ασυρματων δικτυων μεταδοσης δεδομενων 1983 ARDIS – Ιδωτικο δικτυο Motorola/IBM 1990 Αρχιζει η συνταξη του IEEE 802.11για ασυρματα LANs 1992 Αναπτύσσεται το HIPERPLAN στην Ευρωπη 1993 Αναπτυσσεται το CDPDβασισμενο στο Amps 1997 Aπελευθερωνονται οι ζωνες φασματος U-NII (5.8GHz), ολοκληρωνεται η προδιαγραφη IEEE 802.11, ξεκινα το GPRS 1998 Εμφανιζονται το Bluetooth and το IEEE 802.11b (2.4GHz, 11Mbps) 1999 Εμφανιζονται τα IEEE 802.11a(5GHz, 54Mbps) και HIPERPLAN-2. 2003 Εμφανιζεται το IEEE 802.11g(2.4GHz, 54Mbps) 2004 Εμφανιζεται το IEEE 802.16a (WiMAX) (2.4-11GHz, 75Mbps, 50 km)

47. Γενιες Ασυρματων Δικτυων1η γενια - 1G Αναλογικα • Ολα τα συστηματα 1ης γενιας χρησιμοποιουν πολλαπλη προσβαση διαιρεσης συχνοτητας (Frequency division Multiple Access – FDMA) και αμφιδρομη επικοινωνια διαιρεσης συχνοτητας (frequency division duplex - FDD). • Το διαθεσιμο φασμα για καθε κατευθυνση ειναι 25 MHz. • Οι συχνοτητες λειτουργιες ειναι στις ζωνες των 800 και 900 MHz • Δεν υπηρξε προβλεψη για γενικευμενη χρηση, και ετσι οι διαφορες χωρες υιοθετησαν διαφορετικά standards. • Η αποσταση των καναλιων ειναι 25 kHz ή 30 kHz. • Ολα τα συστηματα χρησιμοποιουν αναλογικη διαμορφωση συχνοτητας (Frequency Modulation – FM) • Μερικα απο τα γνωστα συστηματα: AMPS (US), NMT (EU), NTT (Japan). • H 1G ειναι γνωστη και σαν «αναλογικο κυψελοειδες συστημα» • Η 1G περιλαμβανει και τα αναλογικα φορητα τηλεφωνα

48. Εξελιξη κυψελοειδούς τηλεφωνιας

49. Γενιες Ασυρματων Δικτυων2G – Ψηφιακα κυψελοειδη Περιλαμβανει 4 κυρια standards: • Τρια βασισμενα στη πολλαπλη προσπελαση διαιρεσης χρονου (Time division multiple access –TDMA): • To Πανευρωπαικο GSM, • Το Βορειο Αμερικανικο IS-54, • και το Ιαπωνικο JDC • Ενα βασισμενο στη πολλαπλη προσπελαση διαιρεσης κωδικα (Code Division Multiple Access – CDMA): • To IS-95

50. Γενιες Ασυρματων Δικτυων2G – Ψηφιακα κυψελοειδη • Ολα τα συστηματα ειναι FDD (αμφιδρομα με διαιρεση συχνοτητας) και λειτουργουν στην ζωνη των 800-900 MHz. • Το IS-54 and το JDC χρησιμοποιουν την ιδια αποσταση φεροντων (= μεγεθος καναλιου) με τα συστηματα 1G (30 kHz και 25 kHz, αντιστοιχα). • Το GSM χρησιμοποιει καναλια των 200 kHz και το CDMA 1,250 kHz. • Οι ρυθμοι μεταδοσης δεδομενων επισης ειναι διαφορετικοι: για παραδειγμα το GSM εχει ρυθμο μεταδοσης 270 kbps, ενωτο IS-54 εχει 48 kbps. • Οι υψηλοτεροι ρυθμοι μεταδοσης επιτρεπουν την ευκολότερη ενσωματωση υπηρεσιων μετάδοσης δεδομενων.