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

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

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

16.2 Wireless Networks Taxonomy

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

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

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

16.5 Wireless LAN Technologies และ WIFI

16.6 Spread Spectrum Techniques 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

16.6 Spread Spectrum Techniques

16.7 Wireless LAN Standard อื่นๆ (IEEE 802.11-2007)

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)

16.8 Wireless LAN Architecture

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

16.9 Overlap, Association and 802.11 Frame Format

16.10 Coordination ระหว่าง Access Point 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

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

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

16.11 Contention-Free Access

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 Mile หรือใช้ในส่วนของ Backhaul หรือใช้สำหรับเชื่อมต่อแต่ละ Site เข้าด้วยกัน

16.12 Wireless MAN Technologies and WiMax

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)

16.13 PAN Technologies and Standard IEEE 802.15

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

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

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

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

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

16.15 Wireless WAN Technologies แบ่งเป็น Cellular Communication System Satellite Communication System

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

16.15.1 Cellular Communication System

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

16.16 Cell Clusters and Frequency Reuse

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

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

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

16.17 Generations of Cellular Technologies

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

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

16.17 Generations of Cellular Technologies

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

16.18 VSAT Satellite Technology

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

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

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

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