[Week 10-1, 10-2] Cellular Wireless networks

Chap 10. Cellular Wireless networks

 

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< Wireless and Mobile Networks: context >

- wireless (mobile) phone 가입자 수 >>> fixed (wired) phone 가입자 수 (10:1 in 2019)

 

- mobile-broadband-connected devices >>> fixed-broadband-connected devices (5:1 in 2019)

: 4G/5G cellular networks now embracing Internet protocol stack, including SDN

 

*2가지 어려운 점

1) wireless: communication over wireless link

- 거리, 주파수 대역(d, f)에 따라 불안정한 상황 발생 가능

- WiFi: 802.11 wireless LANs

- Cellular networks: 4G and 5G

 

2) mobility: handling the mobile user who changes point of attachment to network

- 이동할 때, 사용자는 느끼지 못하도록 다른 access network에 접속해야 한다.

- Mobility: impact on higher-layer protocols

- 4G/5G networks

- Mobile IP

 

 

< Cellular Wireless Networks >

1) WiFi access를 거쳐 wired network로 연결

2) base station을 거쳐  wired network로 연결

 

> wireless hosts

- laptop, smartphone, IoT(Internet of Things)

- run applications

- may be stationary (non-mobile) or mobile

(wireless가 항상 mobility를 의미하는 것 x - 노트북: stationary)

 

> base station

- wired network에 연결

- relay (받아서 전달)

: responsible for sending packets between wired network

and wireless host(s) in its “area” 

예) cell towers - 셀룰러 데이터 사용, 802.11 access points(AP) - WiFi사용

 

> wireless link

- mobile(s)와 base station을 연결, backbone link에 사용

- multiple access protocol coordinates link access: 서로 번갈아 가며 보내는 프로토콜 중요!!

- various transmission rates and distances, frequency bands: Pr ∝1 / (d^2 * f^2)

*C = B log2(1 + SNR)

Characteristics of selected wireless links

 

> infrastructure mode

- base station이 mobiles를 wired network에 연결

**handoff**

: mobile changes base station providing connection into wired network

mobile이 다른 영역으로 벗어나면 끊기지 않는 서비스를 기대 → 접속할 가능성이 큰 다음 cell tower로 연결

 

> ad hoc mode

- infrastructure, base stations x

- nodes can only transmit to other nodes within link coverage

- nodes organize themselves into a network: route among themselves (peer-to-peer)

예) 블루투스 스피커

 

	single hop	multiple hops
infrastructure o - cell tower 이용 (APs)	- host connects to base station which connects to larger Internet (WiFi, cellular)	- host가 여러개의 wireless nodes와 연결 후 larger Internet에 연결 : mesh net
infrastructure x - ad hoc mode (sensor network)	- base station x - connection to larger Internet x (Bluetooth, ad hoc nets)	- base station x - connection to larger Internet x - 다른 wireless node MANET, VANET와 연결

*hops가 늘어날수록 통신 불안정 → 추가적인 노력 필요

 

 

< Wireless link의 특징 >

1) Wired link와의 차이점

- decreased signal strength

: radio signal attenuates as it propagates through matter (path loss)

: 물, 공기 통과하면서 signal ↓

 

- interference from other sources

: wireless network frequencies (2.4 GHz) shared by many devices (WiFi, cellular, motors)

: 보통 2.4 GHz를 사용하므로 서로 방해한다

 

- multipath propagation

: radio signal reflects off objects ground, arriving at destination at slightly different times

: 하나의 신호가 다른 시간에 도착

∴ 통신 어려워짐 → 극복 노력 필요!

 

2) SNR (Signal / Noise)

: SNR↑– Noise로부터 Signal 추출이 쉽다

(너무 커도 안좋다 - 배터리 소모↑)

 

- SNR은 mobility에 따라 변화

: dynamically adapt physical layer (modulation technique, rate)

 

- SNR vs BER tradeoffs

: physical layer가 정해졌을 때, SNR과 BER의 관계를 고려하는 것이 중요

( power: 통신전력↑ → SNR ↑→ BER↓)

: SNR이 정해졌을 때, BER 요구 사항을 충족하는 physical layer를 선택하여 최고의 처리량을 내는 것이 중요!

*BER: 비트 오류율

 

3) Hidden terminal problem

A ↔ B, B ↔ C: 통신 가능

A ↔ C: 통신 불가능

: A, C는 서로 존재를 모르기 때문에 각각 B와 마음껏 통신 → Noise↑ → B에서의 SNR↓ = interference 극대화

 

 

*TDMA, FDMA: 여러 사용자가 같이 사용(사용자별로 time, frequency 나누어서 사용)

*FDM: 할당받은 영역 내에서 frequency를 나누어 사용 

- 나누어 사용하면 성능이 안좋다 → 해결책: CDMA

 

 

**중요**

< Code Division Multiple Access (CDMA) >

: 각각의 사용자에게 고유한 "code"를 orthogonal하게 할당 - 나와 연결된 것이 남이 연결된 것과 관계없이 처리하도록

- code set partitioning

- 주파수나 시간 상관 x

- 모든 사용자가 같은 frequency를 공유하지만 각각의 user는 “chipping” sequence를 가진다. (보내고 싶은 encode data code)

- multiple users가 간섭을 최소화하면서 동시에 “coexist” 및 전송할 수 있도록 한다.

(if codes are “orthogonal”: 내적 = 0 → interference ↓)

 

> encoding: inner product: (original data) X (chipping sequence)

> decoding: summed inner-product: (encoded data) X (chipping sequence)

 

 

 

> encode/decode

- encode = code * data bits

( 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 ) * -1 = ( -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 )

( 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 ) * 1 = ( 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 )

 

- decode = received input * code

( -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 ) * ( 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 ) = -8 / 8 = -1

( 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 ) * ( 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 )  = 8 / 8 = 1

→ not useful

 

> 2-sender interference

예) sender1 = 11101000, sender2 = 10111011

x˙y = (x1, x2, ..., xn)˙(y1, y2, ..., yn) = ∑xiyi (i = 1 to n)

(1  1 1 -1 1 -1 -1 -1)

(1 -1 1  1 1 -1  1  1)

_______________

0 → orthogonal

 

- encode = code * data bits

Sender 1

( 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 ) * -1 = ( -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 )

( 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 ) * 1 = ( 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 )

z1 = ( -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 )

 

Sender 2

( 1 -1 1 1 1 -1 1 1 ) * 1 = ( 1 -1 1 1 1 -1 1 1 )

( 1 -1 1 1 1 -1 1 1 ) * 1 = ( 1 -1 1 1 1 -1 1 1 )

z2 = ( 1 -1 1 1 1 -1 1 1 1 -1 1 1 1 -1 1 1 )

 

z1 + z2 = ( 0 -2 0 2 0 0 2 2 2 0 2 0 2 -2 0 0 )

 

- decode = received input * code

( 0 -2 0 2 0 0 2 2 ) * ( 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 ) = -8 / 8 = -1 < 0 → 0

( 2 0 2 0 2 -2 0 0 ) *  ( 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 ) = 8 / 8 = 1 > 0 → 1

 

 

< 예제 >

1. In CDMA, given the code [ 1 0 1 0 0 0 1 1 ], and the data bits of [ 0 1 0 ], what is the channel output from encoding?

 

- encode = code * data bits

sol) encoding data 구하기: 주어진 코드에서 1 = 1, 0 = - 1로 바꾸고 data bits를 각각 곱해주기

( 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 ) * ( -1 ) = ( -1 1 -1 1 1 1 -1 -1 )

( 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 ) * ( 1 ) = ( 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 )

( 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 ) * ( -1 ) = ( -1 1 -1 1 1 1 -1 -1 )

chipbit(24bit): -1 1 -1 1 1 1 -1 -1 / 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 / -1 1 -1 1 1 1 -1 -1

 

2. In CDMA, how does the receiver decode the above bits?

 

- decode = received input * code

sol) ( encoded data ) * ( 주어진 코드 )

( -1 1 -1 1 1 1 -1 -1 ) * ( 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 ) = ( -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 ) → -8 / 8 = -1 < 0 → 0

( 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 ) * ( 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 ) = ( 1 1 1 1 1 1 1 1 ) → 8 / 8 = 1 > 0 → 1

( -1 1 -1 1 1 1 -1 -1 ) * ( 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 ) = ( -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 ) → - 8 / 8 = -1 < 0 → 0

 

3. Assuming that the 3rd, 5th, 9th, 13th bits are in error, how does the receiver decode the bits with errors?

 

sol) 3rd, 5th, 9th, 13th의 비트를 반대로 바꾸고 풀어보기

원래 chipbit: -1 1 -1 1 1 1 -1 -1 / 1 -1 1 -1 1 -1 1 1 / -1 1 -1 1 1 1 -1 -1

오류 chipbit: -1 1 1 1 -1 1 -1 -1 / -1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 / -1 1 -1 1 1 1 -1 -1

 

( -1 1 1 1 -1 1 -1 -1 ) * ( 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 ) = ( -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 ) → -4 / 8 = -0.5 < 0 → 0

( -1 -1 1 -1 1 -1 1 1 ) * ( 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 ) = ( -1 1 1 1 -1 1 1 1 ) → 4 / 8 = 0.5 > 0 → 1

( -1 1 -1 1 1 1 -1 -1 ) * ( 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 ) = ( -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 ) → -8 / 8 = -1 < 0 → 0

 

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교재는 Data and Computer Communications를 참고하였고, 자료는 이화여자대학교 이형준 교수님의 정보통신공학 강의에서 가져온 것입니다.