Wireless Communications & Networking
Prof. Michael Tsai 2015/06/01
無線”通道”(channel)與有線”通道”非常不同
1.
多重傳輸路徑(mul'path)àfading
}
單一傳輸的訊號可能自己和自己干擾
}
訊號強度變化非常頻繁
2.
隨著距離增加，接收到的能量減少得很快(且不規則)
}
無法判斷是否有collision
}
需要高感度(sensi'vity)的接收器
3.
實質上永遠都是一個broadcast link
}
共用頻譜，頻寬有限
}
附近的傳輸會造成干擾，而且傳輸端不一定可以察覺
4
PSK & QAM
QPSK (4-‐PSK) 8-‐QAM
四種不同相位 四種不同相位 x 兩種不同強度
如何提升傳輸速率?
}
每個symbol傳短一點時
間
}每個symbol代表多一點
bit數
SNR & BER (M-‐PSK)
𝑃↓𝑒 ≤2×𝑄(√2×𝑆𝑁𝑅 sin(𝜋/𝑀 ) )𝑆𝑁𝑅=𝑆/𝑁
𝑆𝐼𝑁𝑅=𝑆/𝑁+𝐼
𝑃𝐸𝑅=1−(1−𝐵𝐸𝑅)↑𝐿
Friis Formula
TX Antenna
EIRP=
𝑃↓𝑡 𝐺↓𝑡𝑑
Power spa'al density
(𝑊/𝑚↑2 )1/4𝜋𝑑↑2
𝐴↓𝑒
×
×
RX Antenna
⇒𝑃↓𝑟 =𝑃↓𝑡 𝐺↓𝑡 𝐴↓𝑒 /4𝜋𝑑↑2
8
=𝑃↓𝑡 𝐺↓𝑡 𝐺↓𝑟 𝜆↑2 /(4𝜋)↑2 𝑑↑2
Free Space Propagation
}
𝑃↓𝑡 : Transmission power
}
𝑃↓𝑟 : Transmission power
}
𝜆 : 波長 (=c/f)
}
𝐺↓𝑡 , 𝐺↓𝑟 : Transmission & receiving antenna gain
}
Useful 'ps:
}
天線越大支，通常收得越好
}
距離越遠，收到能量越少 (指數性衰退)
}
頻率越高，能量衰減得越厲害
}
設計一個系統，是要在多個參數之間要取得平衡
𝑷↓𝒓 =𝑷↓𝒕 𝑮↓𝒕 𝑮↓𝒓 𝝀↑𝟐 /
(𝟒𝝅𝒅)↑𝟐
Friis Formula
𝑷↓𝒓 ∝1/𝑑↑𝛾
Multipath Propagation
接收端接收到的訊號是所有經不同長度路徑的到達的訊號加總
Power delay profile
t
t0
τ0 τ1 τ2 τ3 τ4 τ5 τ6 τ(t0) hb(t,τ)
同一個訊號，經不同路徑傳遞後，
會在不同時間到達接收端，且強度不同
12
真實世界的power delay profile
隨時間變化的無線通道
t
t0
τ0 τ1 τ2 τ3 τ4 τ5 τ6 τ(t0)
τ(t1) t1
t2
τ(t2) t3
τ(t3)
hb(t,τ)
同一個訊號，經不同路徑傳遞後，
會在不同時間到達接收端，且強度不同 經過一段時間後，環境又略有不同，
造成到達強度&時間又有不同。
不管是傳輸端、接收端、或是反 射物體的位置變化(移動，甚至是 震動)都會造成環境變化!
Infrastructure Wireless LAN
Access Point
Ethernet
Ethernet
Switch and/or router
Connec'on to the Internet
Access Point
Ad hoc Wireless LAN
• No “centralized controller” to relay traffic
• No pre-‐deployed infrastructure
IEEE 802.11 Variants
Year Max Data Rate Frequency Band
IEEE 802.11 1997 2 Mbps 2.4 GHz
IEEE 802.11a 1999 54 Mbps 5 GHz
IEEE 802.11b 1999 11 Mbps 2.4 GHz
IEEE 802.11g 2003 54 Mbps 2.4 GHz
IEEE 802.11n 2009 300 Mbps (20 MHz BW) or 600 Mbps (40 MHz BW)
2.4 GHz/5 GHz
IEEE 802.11ac 2014 Up to > 800 Mbps (20, 40, 80, 160 MHz)
5 GHz
2.4 GHz 802.11 Channels
Taiwan (following U.S. regula'ons) can only use up tochannel 11 (2462 MHz)
SSID/Beacon
csie
ntu
ivlab
syslab
定時廣播Beacon, 內含這個AP 的相關資訊
主要為ssid (網路的名稱), 支援 的data rate, 時間資訊等
(Passive scanning)
probe
beacon
beacon
或可由client發出 probe, AP收到後 回覆beacon.
Authentication/Association
• Authen'ca'on: 認證/登入.
• Associa'on: 和AP產生關聯.
以上兩步驟完成後才能開始 透過AP傳送資料。
MAC Protocol for Wireless Networks
}
主要不同
1.
無線的傳輸相較於有線非常容易出錯
} 每個封包成功接收後(檢查CRC)，接收端在接收後等待 SIFS(802.11所規定的等待時間)，接著傳輸ACK封包。
} 傳輸端接收到此一封包後，即可知之前傳輸的封包已正確傳輸。
} 若傳輸端未接收到此一封包，則會再次傳輸同樣封包 (retransmission)。
2.
無法偵測碰撞(collision)
} 原因: 收到的訊號相較於自己正在傳輸的訊號非常小
} 原因: 有部分情形下，無法偵測到碰撞(hidden terminal problem)
} 一旦開始傳輸以後，就會傳到結束
} 所以，在802.11無線網路的MAC中，當偵測到沒有人傳輸的時 候，會先等隨機一段時間後再開始傳輸。(避免同時開始的問題)
Hidden Terminal Problem
}
ㄅ和ㄆ都想傳給ㄇ
}
在ㄇ可能會產生碰撞，因為ㄅ和ㄆ偵測不到對方的傳輸
ㄇ ㄆ
ㄅ
ㄅ的傳輸範圍
ㄆ的傳輸範圍
Exposed Terminal Problem
}
ㄅ和ㄆ會分別聽到對方的傳輸
}
雖然在ㄇ和ㄈ碰撞是不可能的，ㄅ和ㄆ卻不會同時傳
輸(CSMA的關係)
ㄇ ㄅ ㄆ ㄈ
ㄅ的傳輸範圍
ㄆ的傳輸範圍
CSMA/Collision Avoidance (CA)
}
IEEE 802.11 (WiFi)
}
Handshake四部曲
}
RTS (Request to send)
}
CTS (Clear to send)
}
Data
}
ACK (Acknowledgement)
}
使用 NAV (Network Alloca'on Vector)
}
在CTS中標示需要保留通
道的時間(虛擬CSMA)
ㄇ ㄅ ㄆ ㄈ
ㄇ ㄆ
ㄅ
CTS 會被ㄅ和ㄆ接收到，
所以它們互相都知道對方
RTS of ㄇàㄅ 不會被 ㄆ接收到 RTS of ㄈàㄆ 不會被 ㄅ接收到 因此它們可以同時傳輸
Rate Adaptation
1 Mbps
2 Mbps
5.5 Mbps
SNR
Throughput
• 當SNR不足，但是傳輸速率(data rate)太高時會使一大部分的封包都錯誤
• 一般作法:
• 當出現連續封包錯誤時，降低傳輸速率一級。
• 當出現連續封包正確時，提升傳輸速率一級。
• 問題: 當封包出現連續錯誤時，並無法確定是因為SNR太低! (可能是碰撞!)
• 降速à相同大小封包傳更久à更容易碰撞!
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我們可以做什麼?
}
無法改變的:
通道 (隨時間改變, ISI等), 使用的modula'on
}
可能可以改變的:
頻寬, 使用的頻率(頻道, 2.4GHz/5GHz), 使用的傳輸速率
}
可以改變/設計的:
傳輸的能量, 佈建基地台的位置(距離, 中間的障礙物
等等), 限制流量/應用
Adding more AP to increase capacity
}
Why?
}
Increase the number of users we can serve
}
But TX power needs to be scale down!
}
Otherwise,
}
Collisions
}
Back-‐off
}
Rate adap'on algorithm chooses a lower rate
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