CPE 426 Computer Networks

1. CPE 426 Computer Networks Week 16: Last Chapter 16: Wireless NW Technologies

2. TOPICS • Chapter 16 Wireless NW Technologies • Introduction • ISM • PAN • ISM Bands • WLAN • Standard • Architecture • Contension • Wireless MAN and WiMax • Wireless WAN • Cellular Technologies • VSAT • GPS

3. 16.2 Wireless Networks Taxonomy • ข้อกำหนดการใช้งานของรัฐเป็นตัวกำหนดระยะทางและความถี่ที่ใช้ • ช่วงความถี่ที่ใช่มีทั้งมี License และไม่มี License • ดังนั้น Wireless Technologies มีตั้งแต่ PAN จนถึง WAN

4. 16.2 Wireless Networks Taxonomy

5. 16.3 Personal Area Network • เป็นการสื่อสารระยะสั้นๆ สำหรับอุปกรณ์ที่ดูแลและเป็นเจ้าของโดยคนๆเดียว • Handset กับ Telephone • Mouse และ Keyboard • แบ่งออกได้เป็น 3 ชนิด

6. 16.4 ISM Wireless Bands Used By LANs and PANs • ช่วงความถี่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่กันไว้สำหรับใช้ใน Industrial, Scientific และ Medical Group ซึ่งการใช้งานไม่ต้องขอ License ได้ถูกนำมาใช้ใน WLAN และ PAN

7. 16.5 Wireless LAN Technologies และ WIFI • จัดอยู่ในมาตรฐานของ IEEE 802.11 • ปี 1999 กลุ่มผู้ผลิตอุปกรณ์ Wireless ได้รวมตัวกันจัดตั้ง Wi-Fi Alliance • Non-Profit Organization สำหรับทดสอบและรับรองอุปกรณ์ Wireless ที่ใช้มาตรฐานของ IEEE 802.11 • มาตรฐานที่รับรองโดย Wi-Fi Alliance แสดงดังตาราง

8. 16.5 Wireless LAN Technologies และ WIFI

9. 16.6 Spread Spectrum Techniques • การใช้การสื่อสารแบบ Spread Spectrum ทำให้ • เพิ่ม Performance ของระบบ • การสื่อสารมีความคงทนต่อ Noise • แต่ Bandwidth ของการสื่อสารจะกว้างขึ้น • มี 3 Technologies • DSSS : ส่งข้อมูลแบบ Digital โดยการคูณ(Exclusive OR) Code ที่ส่งกับ Pseudorandom Sequence • FHSS: ใช้ในระบบ Analog โดยการส่งข้อมูลผ่านคลื่นที่มีความถี่ที่เปลี่ยนไปตลอดเวลา • OFDM: เป็นการทำ FDM แบบหนึ่ง แต่ใช้คลื่นในแต่ละแถบความถี่ที่เป็น Orthogonal กัน ทำให้แต่ละช่องมีการรบกวนกันน้อยลง

10. 16.6 Spread Spectrum Techniques

11. 16.7 Wireless LAN Standard อื่นๆ(IEEE 802.11-2007)

12. 16.8 Wireless LAN Architecture • ประกอบด้วย: Access Point (Base Station), Interconnection Mechanism (Switch or Router) และ Nodes (Wireless Station) • มีการเชื่อมต่อได้สองแบบ • Ad Hoc: Wireless Host เชื่อมต่อกันเองโดยไม่ผ่าน Base Station • Infrastructure: ทุกๆ Host เชื่อมต่อกันโดยผ่าน Base Station • Set ของ Computer ที่อยู่ในระยะเชื่อมต่อของแต่ละ Access Point เรียก BSS (Basic Service Set)

13. 16.8 Wireless LAN Architecture

14. 16.9 Overlap, Association and 802.11 Frame Format • ถ้า Access Point อยู่ห่างกันเกินไป จะทำให้เกิด Dead Zone • แต่ถ้า Access Point อยู่ชิดกันเกินจะเกิดการ Overlap ซึ่ง Host สามารถเชื่อมต่อได้มากกว่าหนึ่ง Access Point • ดังนั้นแต่ละ Host จะต้องมีการทำ Association กับเพียงหนึ่ง Access Point • Frame ของ 802.11 จะประกอบไปด้วย MAC Address ของทั้ง Access Point และ Router

15. 16.9 Overlap, Association and 802.11 Frame Format

16. 16.10 Coordination ระหว่าง Access Point • Access Point มีการสื่อสารระหว่างกัน เพื่อให้การเชื่อมต่อไม่มีการหยุดชะงัก คล้ายกับในระบบโทรศัพท์มือถือ ซึ่งระบบมีความซับซ้อน • Handoff (Hand Over) กรณีที่ผู้ใช้เปลี่ยนตำแหน่ง และเปลี่ยนการ Association ไปยัง AP ตัวอื่น • ปกติจะตรวจจาก Signal Strength ที่ได้รับจากผู้ใช้ • ใน AP ที่มีราคาถูก จะไม่ใช้ Mechanism ของ Access Point แต่จะใช้ Computer ของผู้ใช้ทำหน้าที่ตรวจจับสัญญาณ และทำการ Association กับ Access Point ที่มีสัญญาณแรงที่สุด

17. 16.11 Contention-Free Access • PCF (Point Coordination Function) โดยที่ AP จะควบคุมสถานนีใน BSS เพื่อที่จะแน่ใจว่าแต่ละผู้ใช้ส่งสัญญาณไม่รบกวนกัน เช่นกำหนดให้ใช้คนละความถี่ วิธีนี้ไม่ได้ใช้ใน WLAN • DCF (Distributed Coordinated Function) โดยที่แต่ละสถานีใน BSS จะใช้ Random Access Protocol ในกรณีนี้ 802.11 จะใช้ CSMA/CA แทน ซึ่งแต่ละสถานีจะต้องส่ง RTS(Request to Send) และต้องได้รับ CTS (Clear to Send) ก่อน จึงจะส่งได้

18. 16.11 Contention-Free Access • CSMA/CA Timing ในมาตรฐาน 802.11 • Host ที่จะส่ง ต้องรอให้ Channel ว่างเป็นเวลา DIFS = Distributed Inter-Frame Space = 50 Microsecond (=SIFS+2 Slot Time) • Host ที่ส่งเมื่อรอแล้วจะส่ง RTS • AP(หรือ Host อีกฝั่ง) เมื่อได้รับ RTS จะรอเป็นเวลาเท่ากับ SIFS (Short Inter-Frame Space = 10 us) จึ่งส่ง CTS กลับไป • Host เมื่อได้รับ CTS จะต้องรออีกเท่ากับ SIFS จึงสามารถส่งข้อมูลได้เท่ากับหนึ่ง Slot Time • หนึ่ง Slot Time = 20 us • เมื่ออีกฝั่งได้รับข้อมูลครบ จะรอเท่ากับ SIFS จึงส่ง Ack • ถ้าไม่ได้รับ Ack ในเวลาที่กำหนด จะมีการ Backoff และ Retransmission

19. 16.11 Contention-Free Access

20. 16.12 Wireless MAN Technologies and WiMax • มีมาตรฐานเดียวที่มีโอกาสที่จะถูกนำมาใช้งาน คือ IEEE 802.16 หรือที่เรียก WiMax โดยมีกลุ่มบริษัทรวมตัวกันจัดตั้ง WiMax Forum เพื่อสนับสนุนเทคโนโลยีนี้ • มีสอง Version ที่ได้รับการพัฒนาขึ้นมา • Fixed WiMax, IEEE 802.16-2004 กำหนดการเชื่อมกับ Access Point เดียวและไม่มีการ Handoff เช่นการเชื่อมกับผู้ให้บริการกับอุปกรณ์ที่มีตำแหน่งที่แน่นอน • Mobile WiMax, IEEE 802.16e-2005 มีการ Handoff ระหว่าง AP และสามารถนำมาใช้กับ Laptop หรือ Cell Phone ได้ • WiMax สามารถนำมาใช้เพื่อขยายในส่วนของ Last Mileหรือใช้ในส่วนของ Backhaulหรือใช้สำหรับเชื่อมต่อแต่ละ Site เข้าด้วยกัน

21. 16.12 Wireless MAN Technologies and WiMax

22. 16.12 Wireless MAN Technologies and WiMax • The key features of WiMAX can be summarized as follows: • Uses licensed spectrum (i.e., offered by carriers) • Each cell can cover a radius of 3 to 10 Km • Uses scalable orthogonal FDM • Guarantees quality of services (for voice or video) • Can transport 70 Mbps in each direction at short distances • Provides 10 Mbps over a long distance (10 Km)

23. 16.13 PAN Technologies and Standard • IEEE 802.15

24. 16.13 PAN Technologies and Standard • Bluetooth • The IEEE 802.15.1a standard evolved after vendors created Bluetooth technology as a short-distance wireless connection technology • The characteristics of Bluetooth technology are: • Wireless replacement for cables (e.g., headphones or mouse) • Uses 2.4 GHz frequency band • Short distance (up to 5 meters, with variations that extend the range to 10 or 50 meters) • Device is master or slave • Master grants permission to slave • Data rate is up to 721 Kbps

25. 16.13 PAN Technologies and Standard • Ultra Wideband (UWB) • The idea behind UWB communication is that spreading data across many frequencies • requires less power to reach the same distance • The key characteristics of UWB are: • Uses wide spectrum of frequencies • Consumes very low power • Short distance (2 to 10 meters) • Signal permeates obstacles such as walls • Data rate of 110 at 10 meters, and up to 500 Mbps at 2 meters • IEEE unable to resolve disputes and form a single standard

26. 16.13 PAN Technologies and Standard • Zigbee • The Zigbee standard (802.15.4) arose from a desire to standardize wireless remote control technology • especially for industrial equipment • Because remote control units only send short command • high data rates are not required • The chief characteristics of Zigbee are: • Wireless standard for remote control, not data • Target is industry as well as home automation • Three frequency bands used (868 MHz, 915 MHz, and 2.4 GHz) • Data rate of 20, 40, or 250 Kbps, depending on frequency band • Low power consumption • Three levels of security being defined

27. 16.14 Short Distance Communication Technologies อื่น • ที่สำคัญมี InfraRED และ RFID • InfraRED • InfraRED technology is often used in remote controls • and may be used as a cable replacement (e.g., for a wireless mouse) • The Infrared Data Association (IrDA) has produced a set of standards that are widely accepted • The chief characteristics of the IrDA technology are: • Family of standards for various speeds and purposes • Practical systems have range of one to several meters • Directional transmission with a cone covering 30 Degree • Data rates between 2.4 Kbps (control) and 16 Mbps (data) • Generally low power consumption with very-low power versions • Signal may reflect from surfaces • but cannot penetrate solid objects

28. 16.14 Short Distance Communication Technologies อื่น • Radio Frequency Identification (RFID) • RFID technology uses an interesting form of wireless communication to create a mechanism • A small tag contains identification information • that a receiver can “pull” from the tag • Some features of RFID: • Over 140 RFID standards exist for a variety of applications • Passive RFIDs draw power from the signal sent by the reader • Active RFIDs contain a battery • which may last up to 10 years • Limited distance • although active RFIDs extend farther than passive • Can use frequencies from less than 100 MHz to 868-954 MHz • Used for • inventory control, sensors, passports, and other applications

29. 16.15 Wireless WAN Technologies • แบ่งเป็น • Cellular Communication System • Satellite Communication System

30. 16.15.1 Cellular Communication System • ดั้งเดิมออกแบบมาให้นำ Voice สำหรับ Mobile Phone • ประกอบด้วย Cell ที่เชื่อมกับ PTN • ปัจจุบันสามารถนำมาใช้ในการให้บริการ Data ด้วย • Architecture: แต่ละ Cell ประกอบด้วย • Tower • กลุ่มของ Tower จะเชื่อมต่อกับ Mobile Switching Center ทำหน้าที่ติดตามตำแหน่งผู้ใช้และจัดการ Handoff ระหว่าง Cell • Tower จะใช้ Omnidirectional Antenna ที่มีรัศมีเป็นวงกลม (ในทางทฤษฎี) • Cell หลายๆ Cell จะประกอบกันเป็นรูปรวงผึ้ง หกเหลี่ยม • ในที่ชุมชนอาจใช้ขนาด Cell ที่เล็กลง เพราะจำนวนผู้ใช้หนาแน่น

31. 16.15.1 Cellular Communication System

32. 16.16 Cell Clusters and Frequency Reuse • กำหนดให้ Cell ที่อยู่ใกล้กันใช้ความถี่คนละความถี่ แต่ละ Cell จับกลุ่มเป็น Cluster แต่ละ Cluster สามารถประกอบกันได้จนเต็มพื้นที่ • ความถี่สามารถนำมาใช้ใหม่ได้สำหรับ Cell ที่อยู่ห่างกัน • 7 cell cluster ที่ใช้ความถี่ต่างกัน นิยมมากที่สุด

33. 16.16 Cell Clusters and Frequency Reuse

34. 16.17 Generations of Cellular Technologies • 1G, 2G, 2.5G, 3G, 3.5G, 4G • 1G • Began in the late 1970s, and extended through the 1980s • Originally called cellular mobile radio telephones • used analog signals to carry voice  • 2G and 2.5G • Began in the early 1990s and continues to be used • The main distinction between 1G and 2G arises • because 2G uses digital signals to carry voice • The label 2.5G is used for systems that extend a 2G system • to include some 3G features

35. 16.17 Generations of Cellular Technologies • 1G, 2G, 2.5G, 3G, 3.5G, 4G • 3G and 3.5G • Began in the 2000s • Focuses on the addition of higher-speed data services • A 3G system offers download rates of 400 Kbps to 2 Mbps, and is intended to support applications such as web browsing and photo sharing • 3G allows a single telephone to roam across the world • 4G • Began around 2008 • Focuses on support for real-time multimedia • such as a television program or high-speed video • They include multiple connection technologies • such as Wi-Fi and satellite • at any time, the phone automatically chooses the best connection technology available

36. 16.17 Generations of Cellular Technologies • A variety of standards have evolved (many attempted to choose an approach and create a standard) • The European Conference of Postal and Telecommunications Administrators chose a TDMA technology known as Global System for Mobile Communications (GSM) • In the United States, each carrier created a network with its own technology • Motorola invented a TDMA system known as iDEN • Most US and Asian carriers adopted a CDMA approach that was standardized as IS-95A • Japan created a TDMA technology known as PDC • Figure 16.18 summarizes major 2G standards • and some of the 2.5G standards that evolved

37. 16.17 Generations of Cellular Technologies

38. 16.17 Generations of Cellular Technologies • The standards listed in the figure each provide a basic communication mechanism over which many services can operate • General Packet Radio Service (GPRS) for Internet access • Short Message Service (SMS) is used for texting • Wireless Application Service (WAP) is used to access Internet • Multimedia Messaging service (MMS) is used for multi-media • GPRS technologies have been further developed that use more sophisticated modulation and multiplexing techniques (to increase data rates) • Enhanced Data rate for GSM Evolution (EDGE) • known as Enchanced GPRS (EGPRS), offers higher transfer rates • EDGE Evolution provides higher rates

39. 16.17 Generations of Cellular Technologies • Service providers pushed to make technologies interoperable • the industry consolidated many of the approaches from 2G into a few key standards • IS-136, PDC, IS-95A, and EDGE all influenced the design of UMTS, a technology that uses Wideband CDMA (WCDMA) • IS-95B was extended to produce CDMA 2000, as in Figure 16.19 • Several standards evolved for 3G data services • EVDO (Evolution Data Optimized or Evolution Data Only) and EVDV emerged at approximately the same time • They combine CDMA and FDM to increase the overall performance • High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA) offers download speeds of 14 Mbps

40. 16.17 Generations of Cellular Technologies

41. 16.18 VSAT Satellite Technology • ปกติการรับสัญญาณจากดาวเทียมจะใช้จานขนาดใหญ่ หลายเมตร ไม่เหมาะกับใช้ใน Commercial หรือตามบ้าน • VSAT (Very Small Aperture Terminal) เป็นเทคโนโลยีสื่อสารดาวเทียมที่ใช้จานขนาดเล็ก ราคาไม่แพง • หลายบริษัทนำเทคโนโลยีนี้มาใช้ในการสื่อสารเชื่อมต่อภายในบริษัท • VSAT ใช้ช่วงความถี่ 3 ช่วง แต่ละช่วงมีคุณสมบัติต่อฝนและอากาศต่างกัน

42. 16.18 VSAT Satellite Technology

43. 16.19 GPS Satellites • Global Positioning System ใช้หาตำแหน่ง และเวลาได้อย่างเที่ยงตรง • Accuracy between 2-20 meters • (military ones have higher accuracy) • 24 total satellites orbit the earth • Satellites arranged in six (6) orbital planes • Provides time synchronization • that can be used in some communications

44. HW 10(Last): Chapter 16 • Download • ส่งวันจันทร์หน้าก่อนเที่ยง ใส่กล่องที่ห้องสาขา 5-310

45. End of Chapter Week 16 • Course Ends • Final Exam • Up to Week 16 • เน้นที่หลัง Midterm ก่อน MT จะตัดทิ้ง ยกเว้นเรื่อง IP Address • No Calculator • คะแนนเก็บ Final 50% (6 ข้อ 60 คะแนน) • เป็นการอธิบายอย่างสั้นๆ และคำนวณ • IP Subnet จะเป็นข้อใหญ่ และยากกว่า Midterm

46. End of Chapter Week 16 • Final Exam List • 1. IP Address and Subnetting • 2. TCP/UDP • 3. Routing General • 4. IP Routing • 5. QoS and IP Telephony • 6. NW Security and WLAN