مبانی فناوری اطلاعات [email protected] - hamidreza talebi به نام خدا
TRANSCRIPT
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
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, /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
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
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
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
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
منفردراديويي سلولهايپليس •آتش نشاني •تاكسي •راديو و تلويزيون • اورژانس•
Switch
راديويي شبكه
شبكه موبايل پايه
Switch PSTN/ISDNPSTN/ISDN
اصطالحات :آمريكاCellular System-Cell Phone :اروپاMobile Communication System-Mobile
phone
پوشش راديويي در يك سيستم غير سلولي
اپراتورهاي راديوهاي موبايل دو طرفه، راديو و تالش مي كنند كه pagingتلويزيون، و سرويس
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
سلولي پوشش راديويي در يك سيستممتضاد با سيستمهاي غير سلولي ٌفلسفه اي كامال ارتفاع هرچه پايين تر آنتن براي پوشش راديويي
( frequency reuseمنحصر به سلول ) قدرت ارسالي هرچه كمتر فقط براي داشتن
سيگنال قابل قبول حساسيت گيرنده براي مشخص كردن اندازه
.سلول در نظر گرفته مي شود
اندازه يك سلول راديوييField strength contoursField strength contours
TxTx
S2 S1
S3 S4
S5
RxRx
If the threshold of If the threshold of Rx is SRx is S55, and Rx is , and Rx is
the standard receiver the standard receiver for the system then for the system then the radius R defines the radius R defines the cell size.the cell size.
RR
Cell size is then controlled Cell size is then controlled by Tx power, Tx antenna by Tx power, Tx antenna height, and Rx threshold. height, and Rx threshold.
سيستم سلولي- سلولهاي ايده آل
Base Station
هدف از يك سيستم سلولي پوشش راديويي تمام يك جغرافيايي بطوريكه ارتباط موبايل باشبكه منطقه
همواره برقرار باشد
سيستم سلولي- سلولهاي النه زنبوري
Base Station
سيستم سلولي- سلولهاي واقعي
Base Station
منابع شبکه موبايلافته به آ ن است. ي اختصاص يل باند فرکانسي موباييويک شبکه رادي يمنبع اصلشود. ي ارسال و دريافت اختصاص داده ميل دو باند مجزا برايبه هر مو با که قادرند از شبکه استفاه کنند،ييلهايموبا N :برابر با ،
N=Bt/Btm=Br/Brm کهBt ،کل باند ارسال Br ،کل باند دريافت Btm ل ، يموبا ارساليباند اختصاصBrm
ل است. ي دريافت موبايباند اختصاصشود.يل ها محدودمي شبکه محدود است تعداد موباي برايچون کل باند اختصاص ل فقط ي هر موباي کيلو هرتز برا30 باند و ي مگا هرتز پهنا30ستم با ي مثال در سيبرا
زمان 50/1ل فقط يس داد. اگر هر موبايتوان بصورت همزمان سرويل را مي موبا1000 50000توان يم فقط ميري ارالنگ) در نظر بگيلي م20ک ياز سبکه استفاده کند (تراف
م کارت داد. يسکنند! ين شبکه استفاده ميون نفر از ايليم100کا يدرحاليکه در آمر چگونه؟
تخصيص منابع
f1
Tx Rx Tx : f1
Rx : f2
Tx : f2
Rx : f1
uplink
downlink
تخصيص منابع
f1 f3f2 fn f1’ f3’f2’ fn’f0
Lower Band-uplink
Upper Band-down link
Centre Gap
f
Tx - Rx Separation
Frequency range
Frequencyبازيابي فركانسي Reuse
در حوزه زمان فرکانس یا باندی که به یک موبایل اختصاص می دهیم اگر او
استفاده نمی کند در اختیار دیگران بگذاریمدر حوزه فضا
اگر یک موبایل از یک باند فرکانسی در یک محدوده استفاده میکند، اندازه سلولش محدود است، آیا می شود همین باند فرکانسی
را در یک ناحیه جغرافیایی دورتر نیز استفاده نمود.
مفهوم بازيابي فركانسي
D
f1 f1
R R
with the concept of “Frequency Reuse” comes the term “Co-channel Interference”
desired signal
undesired signal co-channel interference
1
2
4
3
فركانسفتالگوي بازيا
براي بازيافت فركانس فضاي جغرافيايي را بين مجموعه هايي از سلولها •ناميده مي شود تقسيم مي نمايند. به هر سلول ) Cluster(كه خوشه
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.
12
4 3
12
4 3
12
4 3
12
4 3
12
4 3
12
4 3
12
4 3
12
4 3
12
4 3
قراردادن آنتن در سلولBase Station
قراردادن رايج آنتن در سلول
Tx
Rx
Rx
two Rx antennas for diversity
Base Station Each cell has a base station
that consists of a tower and a small building containing the radio equipment
Base Station Each cell has a base station
that consists of a tower and a small building containing the radio equipment
Cell phone towers come in all shapes and sizes
Weirdest one I have ever seen!!!
Morrisville, N.C.
1
1
1
1
1
1
1
11
1
1 1
1
Interfering Cell
First tier
Second tier
D
R
Cell Splittingدر مواقعي بكار مي رود كه بخواهيم در بخشي از
داراي ترافيك زيادي است با ايجاد شبكه كه را باال ببريم سلول هاي كوچكتر ظرفيت
Cell Splitting - Method A
Original Cell
Cell Splitting - Method B
Original Cell
Cell Splitting - Method BOriginal Cell
كاهش تداخل جداسازي سلولها همراه با هم فركانس
F D
BG C
F
ED
G
C
FE
D
B EB
G
C
D
EF
G
BC
A
F D
BG C
F
ED
G
C
FE
D
B EB
G
C
A
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
Estimated Pilot Strength
Tx level~1/Estimate
(a) Open-Loop Power Control
Estimate metric
Compare to reference metric
Relate tp Other Users
Issue power Control command
Reference Metric
Receive command
Adjacent transmitted power
(b) Closed-Loop Power Control
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
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
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
F4 F1
F4F3
F3F2
F2
F1 F2 F3 F4 F1 F2
GSM: overview
fixed network
BSC
BSC
MSC MSC
GMSC
OMC, EIR, AUC
VLR
HLR
NSSwith OSS
RSS
VLR
MS
MS
MS
MS
MS
BTS
BTS BTS
BTS
BTS
radio cell
روند تكامل سيستمهاي موبايل1960's: Bell Labs developed cellular
concept
1979 :NTT (Japan) 1983 :AMPS (US),
1985: TACS (Europe(
1st G
1990: GSM (Europe(2nd G 1991 :IS-54 (US), TDMA
1993 :IS-95 (US), CDMA,
1993 :CDPD (US), FHSS, GMSK
2000 :CDMA2000
4th G
3rd G
2010 ,? 4G
1990 :PDC (Japan)
2003 :WCDMA2003 :TD-SCDMA
China
Wireless systems: overview of the development
cellular phones satellites wireless LANcordlessphones
1992:GSM
1994:DCS 1800
2001:IMT-2000
1987:CT1+
1982:Inmarsat-A
1992:Inmarsat-BInmarsat-M
1998:Iridium
1989:CT 2
1991:DECT 199x:
proprietary
1997:IEEE 802.11
1999:802.11b, Bluetooth
1988:Inmarsat-C
analogue
digital
1991:D-AMPS
1991:CDMA
1981:NMT 450
1986:NMT 900
1980:CT0
1984:CT1
1983:AMPS
1993:PDC
4G – fourth generation: when and how?
2000:GPRS
2000:IEEE 802.11a
200?:Fourth Generation(Internet based)
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.
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.
سیم کارتاطالعµات • اسµت، کµارت سµیم داخµل کµه اطالعµاتی
شناسایی مشترک استاجµازه می دهµد کµه مشµترک بتوانµد حµداکثر تحµرک را •
داشته باشددر سیسµتم هµای قبلی مشµترک فقµط بµه یµک موبایµل •
دیµد، آسµیب می موبایµل دلیلی هµر بµه و بµود وابسµته مشµترک نمی توانسµت موبایµل دیگµری را اسµتفاده کنµد. بایµد این موبایµل را می بµرد و موبایµل جدیµدی بµرای او
آماده می کردند.کµدهای • طریµق از موبایµل بµه PIN، PUKدسترسµی
شµود. می مرتبµه PINحفµاظت چهµار یµا سµه اگµر را نیسµت ولی امکµان زدن مجµدد بزنیµد را PUKاشµتباه
هر چند بار می توان زد.
سیم کارت)card Serial Number( شماره سریال کارت••PIN=Personal Identity Number•PUK=PIN Unblocking Key برای تصدیق هویتKiکلید تصدیق هویت • برای شما ست می IMSIهنگامی که سیستم کارت می خرید •
شود.•IMSI=MCC+MNC+MSIN عدد ده دهی است.3 که شامل MCCکد کشور • عدد ده دهی است.2 که شامل MNCکد شبکه موبایل • به صورت موقت ذخیره می شود TMSIعدد مشابهی به نام •
به کار می رود.IMSIکه برای حفاظت از
سیم کارت MSRN(Mobile Station Roaming عدد دیگری هم است که •
Number) که مشابه ISDN.به محل بستگی دارد روی موبایل عدد دیگری هم است که به آن شماره شناسایی •
IMEI (Internationalبین اللملی وسیله موبایل گویند که Mobile Equipment Identity).نامیده می شود