wireless transmission fundamentals (dayem’s book, chapter
TRANSCRIPT
tseng:1
Wireless Transmission Fundamentals
(Dayem’s book, Chapter 4)
(Nico’s book, Chapter 2)
� Electromagnetic Spectrum
� Wireless Propagation Models
� Digital Modulation Techniques
� Multiple Access
� Performance Issues
� Cellular and Ad Hoc Concepts
� Link Budget Analysis
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Electromagnetic Waves
� predicted by British physicist James Maxwell in 1865, and observed by German physicist Heinrich Hertz in 1887
� These waves are created by the movement of electrons and have the ability to propagate through space.
� using appropriate antennas, transmission and reception of electromagnetic waves through space becomes feasible.
� the speed of electron vibration determines the wave’s frequency.
� Hertz: how many times the wave is repeated in 1 sec. (to honor Heinrich Hertz)
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Wavelength and Amplitude
� l = wavelength, f = frequency, c = speed of
light
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Electromagnetic Spectrum
� spectrum: range of electromagnetic
radiation
� band: spectrum parts
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Radio Waves
� HF band enables worldwide transmission:
� HF signals are reflected off the ionosphere and thus can travel very large distances
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Microwaves
� small wavelengths compared to radio waves
� easily attenuated by objects
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Infrared
� emitted by very hot objects
� such as human body (night vision applications)
� frequency depends on the temperature of the
emitting body
� line-of-sight, point-to-point
� of no use outdoors (interfered by heat of sun)
� short-rang: 10 meters
� IrDA: Infrared Data Association
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Microwave and Infrared Bands
� Most wireless networking traffic is in the
microwave frequency bands.
� some licensed, some unlicensed
� Infrared:
� for short-range wireless communication
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Spectrum Regulation
� ITU = Int’l Telecommunications Union
� a worldwide spectrum regulation org.
� the world is split into 3 parts:
�American continent
�Europe, Africa, and former Soviet union
�rest of Asia and Oceania
� Rules of assigning spectrum
� lottery
� auction
� comparative bidding
�such as pricing, technology, etc.
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Licensed Microwave Band
� Examples: cellular, paging, PCS
� Use of a license is typically in an order of
10 years.
�A company can’t have the license and not use
it.
�Bandwidth is regarded as a resource that the
public wants and needs.
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Unlicensed Microwave Band
� Also on the same microwave band, but no
license required.
� To avoid interfering primary (licensed) users,
spreading spectrum is required.
� Two types:
�FHSS: Frequency-hopping spread spectrum
�DSSS: Direct sequence spread spectrum
� Also known as ISM band.
� industrial, scientific, and medical
tseng:12
Model of Wireless Propagation
� Free space path loss
� Doppler shift
� Slow/fast fading
� Error modeling 國立交通大學國立交通大學國立交通大學國立交通大學 資訊工程系資訊工程系資訊工程系資訊工程系 曾煜棋曾煜棋曾煜棋曾煜棋 教授教授教授教授
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Shannon’s Formula
� an upper bound on the bit rate W of any channel of bandwidth H Hz:
W = H log2(1 + S/N)
S/N = signal to thermal noise ratio
� However, in real world, the upper bound is difficult to achieve due to:
� free space path loss
�proportional to r-2, where r is the distance between transmitter and receiver (sometimes at higher exponent)
� Doppler shift�a signal transmitter and receiver are moving relative to one
another
� slow/fast fading
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Slow Fading
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Definitions
� Reflection:
�when an electromagnetic wave falls on an object with dimension very large compared to the wave’s wavelength
� Scattering:
�when obstructed by objects with dimensions in the order of the wavelength
� Diffraction (or shadowing):
�when the wave falls on an impenetrable object
� in which case, the secondary waves are formed behind the obstructing body
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Fast Fading: Multipath Effect
� waves traveling along different paths may
be completely out of phase when they reach
the antenna (thereby canceling each other)
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� Multipath propagation delay can degrade
performance in indoor/outdoor environment.
�When the path length differences are short, the
effect is smaller.
� multipath fading is also referred as fast
fading
�When LOS (line of sight) exists, this kind of
fading is known as Ricean Fading
�When LOS does not exist, this kind of fading
is known as Rayleigh Fading
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Propagation Models
� We say that the relative strength
of signal x, P(x), to that of
signal y, P(y), is D dB, if
� D = 10 log10(P(x)/P(y))
� In free space, the average path
loss (PL) at a distance of r is (in
dB):
� PL(r) = PL(r0) +
10n log(r/r0)
� r0 = reference distance
(typically 1 Km for
macrocells; and 100 m for
microcells)
� n = environmental factor
(typically >= 2)
� To take into account of the
shadowing effect
� PL(r) = PL(r0) +
10n log(r/r0) + Xδ
� Xδ
= zero-mean Gaussian
random variable with
standard deviation δ
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tseng:19
Digital Modulation Techniques
� Binary Modulation
� Phase Shift Keying
� Minimum Shift Keying
� π/4-Shifted QPSK 國立交通大學國立交通大學國立交通大學國立交通大學 資訊工程系資訊工程系資訊工程系資訊工程系 曾煜棋曾煜棋曾煜棋曾煜棋 教授教授教授教授
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Basics
� Convert digital stream into the analog signal A(t)cos(wt + θ), where w = 2πf.
� The characteristics in this formulation that may be changed are:
� amplitude
� frequency
� phase
� Ex: ASK = amplitude shift keying; FSK = frequency shift keying; PSK = phase shift keying
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� Most systems modulate the information
onto a carrier centered in a (small) allocated
spectrum.
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Binary Modulation Scheme
� Amplitude Shift Keying (ASK):
� using ON/OFF to represent 1/0
� “keying”: like a telegraph key
� Frequency Shift Keying (FSK):
� 1/0 represented by two different frequencies
separated by some distance
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Binary Phase Shift Keying
� Binary Phase Shift Keying (BPSK)
� use alternative sine wave phases to encode bits
� simple to implement
� very robust, used extensively in satellite
communications
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Quarternary Phase Shift Keying
� QPSK:
�multi-level modulation: 2 bits per symbol
�more spectrally efficient, more complex
receiver
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Differential PSK (DPSK)
� 1 = changing the phase relative to the
previous symbol by some amount
� 0 = having the same phase as the previous
symbol
� adv: self-clocked
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ππππ/4-Shifted QPSK
� coding by bit pairs
� varying the phase of the
current bit pair to the
phase of the previous bit
pair by a multiple of π/4
� example:
� 10 10 01 (Fig. 2.27)
(i.e., -π/4, -π/4, +5π/4)
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Hybrid of PSK + ASK
� QAM = Quadrate Amplitude Modulation
�mixture of PSK and ASK
� 3 bits at a time
tseng:29
Multiple Access
� defining how nodes in a wireless
network to share a common
medium
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Objectives
� MAC layer is to define how a user access a
channel when he needs one.
�Random access: ALOHA and CSMA
�Ordered access: Token bus and Token Ring
�Deterministic access: FDMA, TDMA, and
CDMA
�Combinations: TDMA-over-FDMA, TDD-
CDMA, and TDMA/CSMA
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FDMA
� frequency division multiple access
** NMT = nordic Mobile Telephony
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TDMA
� time division multiple access
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CDMA
� code division multiple access
� each station has a “station code”
� each bit is encoded by station code
�code 1 is mapped to 1
�code 0 is mapped to -1
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ALOHA
� A type of packet-radio network.
� The first well-known wireless network as well as network system.
� Very simple, but not efficient!
� Variations:
� pure-ALOHA: whenever desired, send the packet
� slotted-ALOHA: further divide time axis into slots
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CSMA
� Before sending, sense the carrier.
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Persistent and Non-persistent CSMA
� Persistent CSMA:
�when the medium is busy, a station can
persistently wait for the medium to become
idle, and then transmit with a probability p
� This is called 1-persistent or p-persistent
CSMA.
� Non-persistent CSMA:
�A station can stop monitoring the wireless
medium, and listen to the medium again at
predefined time.
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Hidden-Node Problem
� CSMA has the following problem:
�when two nodes are too far away, carrier
sensing is difficult
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CSMA/CA
� CA = collision avoidance
� sender first does carrier sense
� sender broadcasts RTS (request to send) to receiver
� receiver broadcasts CTS (clear to send) to sender
� then send data packet
� Q: Is CSMA/CD possible in wireless network?
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Ordered MAC Techniques
� Can a token-ring or token-bus protocol be
applied to a wireless network?
� Problems:
�mobility (nodes joining or leaving the ring)
� token loss
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Comparison and Summary
� Random access: CSMA
� under light load: fast response time
� under heavy load: throughput declines
� simplicity
� Deterministic protocols: TDMA, FDMA
� guaranteed bandwidth
� larger average delay
� small delay variance
� Hybrid: CSMA/TDMA
� adaptive, higher overhead
tseng:42
Spread Spectrum
� FHSS
� DSSS
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Spread Spectrum Technology
� Spread spectrum must be used in ISM band.
� Two major technologies:
� Frequency Hopping SS (FHSS)
�Direct Sequence SS (DSSS)
� Located at the PHY of the network stack:
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FHSS
� Most Wireless LANs
use the ISM bands as
secondary users.
� They must use SS in
order not to interfere
with the primary users.
� FHSS: send info in
different frequencies
on different time slots.
� Hopping Pattern
� In each time slot, the
occupied frequencies
are separated by some
distance to avoid
interference.
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� FHSS is different from FDM (frequency
division multiplexing).
� Example: (Fig. 4.7)
� In the 2.4 GHz band of ISM, we have a space
of 80 MHz. (2400~2483MHz)
�A typical bandwidth of the information signal
is 1 MHz.
�Maximum occupancy is 1MHz regulated by FCC.
�One time slot = 0.1 sec.
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Primary vs. Secondary Users
� In FHSS, a typical power limit is 1 watt.
� For primary users, the power limit is much larger.
� So the interference from FHSS will not be noticeable
primary users.
� For FHSS secondary user,
� when there is 1 primary user � there will be a
throughput loss of 1/80 = 1.25%;
� when there are 2 primary users � there will be a
throughput loss of 2/80 = 2.5%.
� fig 4.8
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primary
user
primary
user
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DSSS
� The input data stream is transferred to a
chip stream that is x times higher by XOR.
� a chip is 0 or 1, but is called so to distinguish
from a bit
� example: x = 11, 13, 15, 16 chips/bit
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� The frequency spectrum is spread out and
the spectral energy is x times lower.
� It’s so low that primary users are not interfered.
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Comparison of Interference
� Degradation due to existence of interference:
� FHSS: linear to the level of interference
�DSSS:
�degraded by half after a certain point (since it
typically occupies 50% of the bandwidth)
�won’t work after a certain level
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tseng:53
Link Budget Analysis
� “Tutorial on Basic Link Budget
Analysis” Application Note, June
1998, AN9804.1, Intersil Co.
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Communication Basics
� When evaluating a wireless link, there are 3
most important questions to be answered:
�How much radio frequency (RF) power is
available?
�How much bandwidth is available?
�What is the required reliability?
�evaluated by BER (bit error rate)
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Link Budget Example 1
� Wireless Link to Modem
� required rate: 40 Kbps (28.8 Kbps plus
framing, overhead, checksum)
� range: 5 meters
�BER: 10-6
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� Choices of Technology:
� 900 MHz
�2.4GHz and 5GHz are not selected since the
required rate is low.
� no spread spectrum
�since low transmission power is sufficient for 5
meters
�Orthogonal FSK
�simplicity: two separated frequencies (one for “1”
and the other for “0”)
�separated by 40 kHz (called “orthogonal” since
frequency-separation/bit-rate = 1)
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Link Budget Example 2
� Wireless USB
� required data rate = 2 Mbps (1.408 Mbps plus
framing, overhead, and checksum)
� range = 30 meters
�BER = 10-6
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� Selection of Technologies:
� ISM band in 2.4 GHz (with 83MHz of band to
use)
�DSSS spreading to support long distance
transmission
�will occupy 2 x 11 = 22 MHz of bandwidth due to
spreading
�DQPSK (differential quadrature phase shift
keyed) modulation
tseng:59
Performance Increasing Techniques
for Wireless Networks
� antenna diversity
� coding
� power control
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Diversity
� definition:
� to send multiple copies of the same
information signal through several channels
� goal:
� to combat fading in wireless channels
� example:
� time, frequency, antenna
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Antenna Diversity
� also known as space diversity
� method
� a set of array elements (also referred to as
branches), spaced sufficiently apart from each
other
� usually 2 elements
� can combat multipath fading
� because multipath fading is usually
independent at distances in the order of
channel’s wavelength
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Example
� a 2-branch diversity system
� a number of algorithms have been proposed to
reconstruct the original transmission
� ex: pick the strongest signal from one of the
antennas
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Smart Antennas
� multi-antennas that change in order to adapt
to the conditions of wireless channels
� can focus toward the receivers
� can focus to the transmitters
� also known as beamforming
� Already available for
several years
� not widely used due to costs
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Coding
� Parity check
� Hamming code
� Cyclic redundancy check (CRC)
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Power Control
� properly tuning the transmission power to
reduce coverage and interference
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Summary
� What have we discussed?
� Electromagnetic Spectrum
� Wireless Propagation Models
� Digital Modulation Techniques
� Multiple Access
� Performance Issues
� Cellular and Ad Hoc Concepts
� Link Budget Analysis
� Performance Improvement Techniques