به نام خدا
بررسی شبکه های سلولی موبایل
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, 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
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
سلولهای رادیویی منفرد
پلیس
آتش نشانی
تاکسی
رادیو و تلویزیون
اورژانس
Switch
شبکه رادیویی
شبکه موبایل پایه
Switch
PSTN/ISDN
اصطلاحات
آمریکا: Cellular System-Cell Phone
اروپا: Mobile Communication System-Mobile phone
پوشش رادیویی در یک سیستم غیر سلولی
اپراتورهای رادیوهای موبایل دو طرفه، رادیو و تلویزیون، و سرویس paging تلاش می کنند که پوشش رادیویی خود را حد اکثر کنند.
پوشش رادیویی متناسب است با:
ارتفاع آنتن ارسال
قدرت خروجی ارسالی
حساسیت گیرنده و نسبت سیگنال به نویز
ارتفاع آنتن اهمیت بیشتری دارد
پوشش رادیویی در یک سیستم سلولی
فلسفه ای کاملاٌ متضاد با سیستمهای غیر سلولی
ارتفاع هرچه پایین تر آنتن برای پوشش رادیویی منحصر به سلول (frequency reuse)
قدرت ارسالی هرچه کمتر فقط برای داشتن سیگنال قابل قبول
حساسیت گیرنده برای مشخص کردن اندازه سلول در نظر گرفته می شود.
اندازه یک سلول رادیویی
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.
سیستم سلولی- سلولهای ایده آل
Base Station
هدف از یک سیستم سلولی پوشش رادیویی تمام یک منطقه جغرافیایی بطوریکه ارتباط موبایل باشبکه همواره برقرار باشد
سیستم سلولی- سلولهای لانه زنبوری
Base Station
سیستم سلولی- سلولهای واقعی
Base Station
منابع شبکه موبایل
منبع اصلی یک شبکه رادیویی موبایل باند فرکانسی اختصاص یافته به آ ن است.
به هر مو بایل دو باند مجزا برای ارسال و دریافت اختصاص داده می شود.
موبایلهایی که قادرند از شبکه استفاه کنند،N ، برابر با:
N=Bt/Btm=Br/Brm
که Bt کل باند ارسال، Br کل باند دریافت، Btm باند اختصاصی ارسال موبایل ، Brm باند اختصاصی دریافت موبایل است.
چون کل باند اختصاصی برای شبکه محدود است تعداد موبایل ها محدودمی شود.
برای مثال در سیستم با 30 مگا هرتز پهنای باند و 30 کیلو هرتز برای هر موبایل فقط 1000 موبایل را میتوان بصورت همزمان سرویس داد. اگر هر موبایل فقط 50/1زمان از سبکه استفاده کند (ترافیک 20 میلی ارلانگ) در نظر بگیریم فقط میتوان 50000 سیم کارت داد.
درحالیکه در آمریکا 100میلیون نفر از این شبکه استفاده می کنند!
چگونه؟
تخصیص منابع
f1
Tx : f1
Rx : f2
Tx : f2
Rx : f1
uplink
downlink
تخصیص منابع
f1
f3
f2
fn
f1’
f3’
f2’
fn’
f0
Lower Band-uplink
Upper Band-down link
Centre
Gap
Df
Tx – Rx Separation
Frequency range
بازیابی فرکانسی 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.
مفهوم بازیابی فرکانسی
D
f1
f1
R
R
1
2
4
3
الگوی بازیافت فرکانس
برای بازیافت فرکانس فضای جغرافیایی را بین مجموعه هایی از سلولها که خوشه (Cluster) نامیده می شود تقسیم می نمایند. به هر سلول مجموعه ای از کانالهای مخابراتی اختصاص می یابد که با مجموعه کانالهای سلول دیگر همان خوشه متفاوت است ولی با سلول همنام (همرنگ) خوشه دیگر دقیقا مشابه است. با کنار هم چیدن خوشه ها فضای جغرافیایی پر می شود. سمت چپ یک خوشه چهار تایی و در سمت راست چگونگی پر کردن فضا با این خوشه نشان داده شده است.
قراردادن آنتن در سلول
Base Station
قراردادن رایج 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!!!
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Interfering Cell
First tier
Second tier
D
R
Cell Splitting
در مواقعی بکار می رود که بخواهیم در بخشی از شبکه که دارای ترافیک زیادی است با ایجاد سلول های کوچکتر ظرفیت را بالا ببریم
Cell Splitting – Method A
Original Cell
Cell Splitting – Method B
Original Cell
Cell Splitting – Method B
Original Cell
جداسازی سلولها همراه با کاهش تداخل هم فرکانس
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
F4
F3
F3
F2
F2
F1
F2
F3
F4
F1
F2
GSM: overview
fixed network
BSC
BSC
MSC
MSC
GMSC
OMC, EIR, AUC
VLR
HLR
NSS
with OSS
RSS
VLR
MS
MS
MS
MS
MS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
radio cell
روند تکامل سیستمهای موبایل
1960'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: WCDMA
2003:
TD-SCDMA
China
Wireless systems: overview of the development
cellular phones
satellites
wireless LAN
cordless phones
1992:
GSM
1994: DCS 1800
2001:
IMT-2000
1987: CT1+
1982:
Inmarsat-A
1992:
Inmarsat-B
Inmarsat-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 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.
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.
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.