Basics of Wireless Communication

1. به نام خدا مبانی فناوری اطلاعات info@vdsoft.ir - Hamidreza Talebi

2. بررسی شبکه های سلولی موبایل info@vdsoft.ir - Hamidreza Talebi

3. History of wireless communication • 1897: Marconi demonstrated transmission of radio waves to a ship at sea 29 km away • 1915: Wireless telephony established-- Virginia and Paris • 1920's: Radio broadcasting became popular • 1930's: TV broadcasting began • 1946: First public mobile telephone service in US • 1960's: Bell Labs developed cellular concept-- brought mobile telephony to masses • 1960’s: Communications satellites launched • Late 1970's: IC technology advances enable affordable cellular telephony-- ushers in modern cellular era

4. Modern cellular standards • 1979: NTT (Japan), FDMA, FM, 25 kHz channels, 870-940 MHz • 1983: AMPS (US), FDMA, FM, 30 kHz channels, 824-894 MHz • 1985: TACS (Europe), FDMA, FM, 25 kHz channels, 900 MHz • 1990: GSM (EuropeTDMA, GMSK, 200 kHz channels, 890-960 MHz • 1991: USDC/IS-54 (), US), TDMA, p/4 DQPSK, 30 kHz channels, 824-894 MHz • 1993: IS-95 (US), CDMA, BPSK/QPSK, 1.25 MHz channels, 824-894 MHz and 1.8-2.0 GHz • 1993: CDPD (US), ) Cellular Digital Packet Data(: FHSS, GMSK, 30 kHz channels, 824-894 Mhz • 2001: UMTS/IMT-2000 (3rd generation European cellular standard), supports data and voice (up to 2 Mbps), 1885-2025 MHz and 2110-2200 Mhz

5. Wireless data standards • IEEE 802.11: wireless LAN/ad-hoc networking, 1, 2 or 11 Mbps, DSSS or FHSS with CSMA/CA RTS-CTS-ACK, 2.4 - 2.4835 GHz • Bluetooth: replacement for cables, short range (10 or 100 m), low power (1 or 100 mW), low cost, 1 Mbps max data rate, local piconets with master-slave operation • HomeRF: wireless home networking, 150 feet range, up to 10 devices, SWAP protocol • IEEE 802.15: wireless PAN, modes for low (< 10 kbps), medium (up to 200 kbps), and high (> 20 Mbps) data rates

6. Facts about wireless communication • Over 50% of US households have a cellular phone by 2003 • Over 170M wireless data users(2003); projected to reach 1.3 billion by 2004 • Over 200M mobile phone subscribers in Western Europe • Global revenue from wireless portals predicted to grow from $700M to $42 billion by 2005 • Worldwide wireless subscribers to reach 1 billion by Q3 2002 • WLAN revenues predicted at $785M by 2004 • Forecasting a 59 percent growth rate for wireless usage in rural areas between 2000 and 2003

7. Underlying concepts • Electromagnetics • Antennas, wave propagation, channel modeling • Signals and systems • Filtering, Fourier transforms, block-diagram design • Digital signal processing • Equalization, spread-spectrum, source coding • Communications • Modulation, noise analysis, channel capacity, channel coding

8. Enabling technologies • Digital integrated circuits • RF generation devices (efficient power amps, sleep modes, improved oscillators, smart antennas) • Source coding (data compression) • Modulation (improved efficiency) • Multiple-access techniques (increase number of users) • Channel coding/forward error correction (improve probability of successful reception) • Software programmable radios

9. سلولهايراديويي منفرد • پليس • آتش نشاني • تاكسي • راديو و تلويزيون • اورژانس

10. شبكهراديويي Switch

11. شبكه موبايل پايه PSTN/ISDN Switch

12. اصطلاحات • آمريكا: Cellular System-Cell Phone • اروپا: Mobile Communication System-Mobile phone

13. پوشش راديويي در يك سيستم غير سلولي • اپراتورهاي راديوهاي موبايل دو طرفه، راديو و تلويزيون، و سرويس paging تلاش مي كنند كه پوشش راديويي خود را حد اكثر كنند. • پوشش راديويي متناسب است با: • ارتفاع آنتن ارسال • قدرت خروجي ارسالي • حساسيت گيرنده و نسبت سيگنال به نويز • ارتفاع آنتن اهميت بيشتري دارد

14. پوشش راديويي در يك سيستمسلولي • فلسفه اي كاملاٌ متضاد با سيستمهاي غير سلولي • ارتفاع هرچه پايين تر آنتن براي پوشش راديويي منحصر به سلول (frequency reuse) • قدرت ارسالي هرچه كمتر فقط براي داشتن سيگنال قابل قبول • حساسيت گيرنده براي مشخص كردن اندازه سلول در نظر گرفته مي شود.

15. S5 S4 S3 S2 S1 Tx Rx اندازه يك سلول راديويي Field strength contours If the threshold of Rx is S5, and Rx is the standard receiver for the system then the radius R defines the cell size. R Cell size is then controlled by Tx power, Tx antenna height, and Rx threshold.

16. سيستم سلولي- سلولهاي ايده آل هدف از يك سيستم سلولي پوشش راديويي تمام يك منطقهجغرافيايي بطوريكه ارتباط موبايل باشبكه همواره برقرار باشد Base Station

17. سيستم سلولي- سلولهاي لانه زنبوري Base Station

18. سيستم سلولي- سلولهاي واقعي Base Station

19. منابع شبکه موبايل • منبع اصلييک شبکه راديويي موبايل باند فرکانسي اختصاص يافته به آ ن است. • به هر مو بايل دو باند مجزا براي ارسال و دريافت اختصاص داده مي شود. • موبايلهايي که قادرند از شبکه استفاه کنند،N ، برابر با: N=Bt/Btm=Br/Brm • که Bt کل باند ارسال، Br کل باند دريافت، Btm باند اختصاصي ارسالموبايل ، Brm باند اختصاصي دريافت موبايل است. • چون کل باند اختصاصي براي شبکه محدود است تعداد موبايل ها محدودمي شود. • براي مثال در سيستم با 30 مگا هرتز پهناي باند و 30 کيلو هرتز براي هر موبايل فقط 1000 موبايل را ميتوان بصورت همزمان سرويس داد. اگر هر موبايل فقط 50/1زمان از سبکه استفاده کند (ترافيک 20 ميلي ارلانگ) در نظر بگيريم فقط ميتوان 50000 سيم کارت داد. • درحاليکه در آمريکا 100ميليون نفر از اين شبکه استفاده مي کنند! • چگونه؟

20. Tx Rx تخصيص منابع f1 downlink uplink Tx : f2 Rx : f1 Tx : f1 Rx : f2

21. تخصيص منابع Frequency range Lower Band-uplink Upper Band-down link f1 f2 f3 fn f0 f1’ f2’ f3’ fn’ Df Centre Gap Tx - Rx Separation

22. بازيابي فركانسي Frequency Reuse • در حوزه زمان • فرکانس یا باندی که به یک موبایل اختصاص می دهیم اگر او استفاده نمی کند در اختیار دیگران بگذاریم • در حوزه فضا • اگر یک موبایل از یک باند فرکانسی در یک محدوده استفاده می کند، اندازه سلولش محدود است، آیا می شود همین باند فرکانسی را در یک ناحیه جغرافیایی دورتر نیز استفاده نمود.

23. undesired signal co-channel interference desired signal with the concept of “Frequency Reuse” comes the term “Co-channel Interference” مفهوم بازيابي فركانسي f1 f1 D R R

24. 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 الگوي بازيافت فركانس • براي بازيافت فركانس فضاي جغرافيايي را بين مجموعه هايي از سلولها كه خوشه (Cluster) ناميده مي شود تقسيم مي نمايند. به هر سلول مجموعه اي از كانالهاي مخابراتي اختصاص مي يابد كه با مجموعه كانالهاي سلول ديگر همان خوشه متفاوت است ولي با سلول همنام (همرنگ) خوشه ديگر دقيقا مشابه است. با كنار هم چيدن خوشه ها فضاي جغرافيايي پر مي شود. سمت چپ يك خوشه چهار تايي و در سمت راست چگونگي پر كردن فضا با اين خوشه نشان داده شده است. 2 1 3 4

25. قراردادن آنتن در سلول Base Station

26. قراردادن رايج آنتن در سلول Rx Tx Rx two Rx antennas for diversity

27. Base Station • Each cell has a base station that consists of a tower and a small building containing the radio equipment

28. Base Station • Each cell has a base station that consists of a tower and a small building containing the radio equipment

29. Morrisville, N.C. Cell phone towers come in all shapes and sizes Weirdest one I have ever seen!!!

32. 1 1 R Second tier Interfering Cell 1 First tier D 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

33. Cell Splitting در مواقعي بكار مي رود كه بخواهيم در بخشي از شبكه كهداراي ترافيك زيادي است با ايجاد سلول هاي كوچكتر ظرفيترا بالا ببريم

34. Cell Splitting - Method A Original Cell

35. Cell Splitting - Method B Original Cell

36. Cell Splitting - Method B Original Cell

37. D F E E B C C G G D D F B E F B C G F E G A A D B C D F E E B C C G G D D F B E F B C G جداسازي سلولها همراه باكاهش تداخل هم فركانس

38. Types of Power Control • Open-loop power control • Depends solely on mobile unit • No feedback from BS • Not as accurate as closed-loop, but can react quicker to fluctuations in signal strength • Closed-loop power control • Adjusts signal strength in reverse channel based on metric of performance • BS makes power adjustment decision and communicates to mobile on control channel

39. Estimate metric Estimated Pilot Strength Compare to reference metric Reference Metric Tx level~1/Estimate Relate tp Other Users Issue power Control command (a) Open-Loop Power Control Receive command (b) Closed-Loop Power Control Adjacent transmitted power

40. Traffic Engineering • Ideally, available channels would equal number of subscribers active at one time • In practice, not feasible to have capacity handle all possible load conditions • For N simultaneous user capacity and L subscribers • L < N – nonblocking system • L > N – blocking system • Performance criterion • Probability that call request is blocked • Capacity needed to achieve certain upper bound on prob. of blocking • Average call completion delay • Capacity needed to achieve a certain average delay

41. Trunking • In addition to frequency re-use, cellular network utilise the concept of “trunking” to support a very large number of subscribers using a much smaller number of channels (i.e. carriers) • This is achieved due to the fact that MS access to a traffic channel in all cells is by demand assignment • They must first negotiate with the network over a signalling channel to gain access to a traffic channel for the duration of a call • As with all trunked systems, there is always the possibility that subscriber’s will not be able to access the network due to the limited number of traffic channels available

42. Hand-Over • وقتی که موبایل درون یک سلول مخابراتی استفاده می کند و ارتباطش برقرار است، ممکن است حرکت کند و از حوزه یک سلول خارج بشود و وارد سلول دیگری شود. F1 F2 F3 F4 F1 F2 F1 F2 F2 F3 F3 F4 F4 F1

43. GSM: overview OMC, EIR, AUC fixed network HLR GMSC NSS with OSS VLR MSC VLR MSC BSC MS BSC MS MS BTS RSS MS MS radio cell BTS BTS BTS BTS

44. روند تكامل سيستمهاي موبايل 1960's: Bell Labs developedcellular concept 1979: NTT (Japan) 1st G 1983: AMPS (US), 1985: TACS (Europe( 1990: GSM (Europe( 1990: PDC (Japan) 1991: IS-54 (US), TDMA 2nd G 1993: IS-95 (US), CDMA, 1993: CDPD (US), FHSS, GMSK 2000: CDMA2000 3rd G 2003: WCDMA 2003: TD-SCDMA China 4th G 2010 ?, 4G

45. Wireless systems: overview of the development 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?

46. Introduction • GSM • formerly: Groupe Spéciale Mobile (founded 1982) • now: Global System for Mobile Communication • Pan-European standard (ETSI, European Telecommunications Standardisation Institute) • The European Telecommunication Standards Institute (ETSI) standardised the Global System for Mobile communications (GSM). • ETSI originally defined GSM as a European digital cellular telephony standard. • The GSM interfaces defined by ETSI lay the ground-work for a multivendor network approach to digital mobile communication. • GSM offers users good voice quality, call privacy, and network security.

47. Introduction - cont. • simultaneous introduction of essential services in three phases (1991, 1994, 1996) by the European telecommunication administrations (Germany: D1 and D2) • GSM networks on air (August 2001) is 400 in 171 countries supporting 564.6 million users. • World user growth expected 800.4 million by end of July 2001.

48. سیم کارت اطلاعاتی که داخل سیم کارت است، اطلاعات شناسایی مشترک است اجازه می دهد که مشترک بتواند حداکثر تحرک را داشته باشد در سیستم های قبلی مشترک فقط به یک موبایل وابسته بود و به هر دلیلی موبایل آسیب می دید، مشترک نمی توانست موبایل دیگری را استفاده کند. باید این موبایل را می برد و موبایل جدیدی برای او آماده می کردند. دسترسی به موبایل از طریق کدهای PIN، PUK حفاظت می شود. PIN را اگر سه یا چهار مرتبه اشتباه بزنید امکان زدن مجدد نیست ولی PUK را هر چند بار می توان زد.

49. سیم کارت شماره سریال کارت(card Serial Number) PIN=Personal Identity Number PUK=PIN Unblocking Key کلید تصدیق هویت Ki برای تصدیق هویت هنگامی که سیستم کارت می خرید IMSI برای شما ست می شود. IMSI=MCC+MNC+MSIN کد کشور MCC که شامل 3 عدد ده دهی است. کد شبکه موبایل MNC که شامل 2 عدد ده دهی است. عدد مشابهی به نام TMSI به صورت موقت ذخیره می شود که برای حفاظت از IMSI به کار می رود.

50. سیم کارت عدد دیگری هم است که MSRN(Mobile Station Roaming Number) که مشابه ISDN به محل بستگی دارد. روی موبایل عدد دیگری هم است که به آن شماره شناسایی بین اللملی وسیله موبایل گویند که IMEI(International Mobile Equipment Identity) نامیده می شود.