Wireless network Technology Devices and Applications

Wireless Networking Technologies WLAN, WiFi Mesh and WiMAX 6. and wireless network technology devices and applications
VoiletFord Profile Pic
VoiletFord,United States,Professional
Published Date:12-07-2017
Your Website URL(Optional)
Comment
Wireless Networking Technologies WLAN, WiFi Mesh and WiMAX Sridhar Iyer K R School of Information Technology IIT Bombay sriit.iitb.ac.in http://www.it.iitb.ac.in/sriWireless networks  Access computing/communication services, on the move  Wireless WANs – Cellular Networks: GSM, GPRS, CDMA – Satellite Networks: Iridium  Wireless LANs – WiFi Networks: 802.11 – Personal Area Networks: Bluetooth  Wireless MANs – WiMaX Networks: 802.16 – Mesh Networks: Multi­hop WiFi – Adhoc Networks: useful when infrastructure not available Sridhar Iyer IIT Bombay 4Limitations of the mobile environment • Limitations of the Wireless Network • limited communication bandwidth  • frequent disconnections • heterogeneity of fragmented networks • Limitations Imposed by Mobility • route breakages • lack of mobility awareness by system/applications  • Limitations of the Mobile Device • short battery lifetime • limited capacities Sridhar Iyer IIT Bombay 5Mobile communication  Wireless vs. mobile        Examples           stationary computer        laptop in a hotel (portable)        wireless LAN in historic buildings        Personal Digital Assistant (PDA)  Integration of wireless into existing fixed networks: – Local area networks: IEEE 802.11, ETSI (HIPERLAN) – Wide area networks: Cellular 3G, IEEE 802.16 – Internet: Mobile IP extension Sridhar Iyer IIT BombayWireless v/s Wired networks  Regulations of frequencies – Limited availability, coordination is required – useful frequencies are almost all occupied  Bandwidth and delays – Low transmission rates • few Kbits/s to some Mbit/s. – Higher delays • several hundred milliseconds – Higher loss rates  • susceptible to interference, e.g., engines, lightning  Always shared medium – Lower security, simpler active attacking – radio interface accessible for everyone – secure access mechanisms important Sridhar Iyer IIT Bombay 7Wireless Technology Landscape 72 Mbps Turbo .11a 54 Mbps 802.11a,b 5­11 Mbps  .11 p­to­p link 802.11b 1­2 Mbps 802.11 Bluetooth µ wave p­to­p links 3G 384 Kbps WCDMA, CDMA2000 2G 56 Kbps IS­95, GSM, CDMA Outdoor Mid range Long range Long distance  Indoor outdoor outdoor com. 50 – 200m 200m – 4Km 5Km – 20Km 20m – 50Km 10 – 30m Sridhar Iyer IIT Bombay 8Reference model Application Application Transport Transport Network Network Network Network Data Link Data Link Data Link Data Link Physical Physical Physical Physical Medium Radio Sridhar Iyer IIT Bombay 9Effect of mobility on protocol stack   Application – new applications and adaptations – service location, multimedia  Transport – congestion and flow control – quality of service  Network – addressing and routing – device location, hand­over  Link – media access and security  Physical – transmission errors and interference Sridhar Iyer IIT Bombay 10Perspectives  Network designers: Concerned with cost­effective  design  – Need to ensure that network resources are efficiently utilized  and fairly allocated to different users.  Network users: Concerned with application services – Need guarantees that each message sent will be delivered  without error within a certain amount of time.  Network providers: Concerned with system  administration  – Need mechanisms for security, management, fault­tolerance  and accounting. Sridhar Iyer IIT Bombay 11Factors affecting wireless system design  Frequency allocations – What range to operate? May need licenses.  Multiple access mechanism – How do users share the medium without interfering?  Antennas and propagation – What distances? Possible channel errors introduced.  Signals encoding – How to improve the data rate?  Error correction – How to ensure that bandwidth is not wasted? Sridhar Iyer IIT Bombay 13Frequencies for communication twisted  coax cable optical transmission pair 1 Mm 10 km 100 m 1 m 10 mm 100  1 μ m 300 Hz 30 kHz 3 MHz 300 MHz 30 GHz μ m 300 THz 3 THz VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF infrared visible light UV  VLF = Very Low Frequency UHF = Ultra High Frequency  LF = Low Frequency SHF = Super High Frequency  MF = Medium Frequency  EHF = Extra High Frequency  HF = High Frequency  UV = Ultraviolet Light  VHF = Very High Frequency  Frequency and wave length: λ = c/f  8  wave length λ , speed of light c ≅  3x10 m/s, frequency f Sridhar Iyer IIT Bombay 14Wireless frequency allocation  Radio frequencies range from 9KHz to 400GHZ (ITU)  Microwave frequency range – 1 GHz to 40 GHz – Directional beams possible – Suitable for point­to­point transmission – Used for satellite communications  Radio frequency range – 30 MHz to 1 GHz  – Suitable for omnidirectional applications  Infrared frequency range 11 14 – Roughly, 3x10  to 2x10  Hz – Useful in local point­to­point multipoint applications within confined  areas  Sridhar Iyer IIT Bombay 15Frequencies for mobile communication  VHF­/UHF­ranges for mobile radio – simple, small antenna for cars – deterministic propagation characteristics, reliable connections  SHF and higher for directed radio links, satellite  communication – small antenna, focusing – large bandwidth available  Wireless LANs use frequencies in UHF to SHF spectrum – some systems planned up to EHF – limitations due to absorption by water and oxygen molecules  (resonance frequencies) • weather dependent fading, signal loss caused by heavy  rainfall etc.  Sridhar Iyer IIT Bombay 16Frequency regulations  Frequencies from 9KHz to 300 MHZ in high demand  (especially VHF: 30­300MHZ)  Two unlicensed bands – Industrial, Science, and Medicine (ISM): 2.4 GHz – Unlicensed National Information Infrastructure (UNII): 5.2 GHz   Different agencies license and regulate – www.fcc.gov ­ US  – www.etsi.org ­ Europe – www.wpc.dot.gov.in  ­ India – www.itu.org  ­ International co­ordination  Regional, national, and international issues  Procedures for military, emergency, air traffic control, etc  Sridhar Iyer IIT Bombay 17Wireless transmission  Antenna Antenna Transmitter Receiver  Wireless communication systems consist of: – Transmitters – Antennas: radiates electromagnetic energy into air – Receivers  In some cases, transmitters and receivers are  on same device, called transceivers. Sridhar Iyer IIT Bombay 18Transmitters  Antenna Amplifier Filter Mixer Amplifier Source Transmitter  Oscillator Suppose you want to generate a signal that is sent at 900 MHz and  the original source generates a signal at 300 MHz.  • Amplifier ­ strengthens the initial signal • Oscillator  ­ creates a carrier wave of 600 MHz • Mixer ­ combines signal with oscillator and produces 900 MHz  (also does modulation, etc) • Filter ­ selects correct frequency  • Amplifier ­ Strengthens the signal before sending it Sridhar Iyer IIT Bombay 19AntennasAntennas  An antenna is an electrical conductor or system of  conductors to send/receive RF signals – Transmission ­ radiates electromagnetic energy into space – Reception ­ collects electromagnetic energy from space  In two­way communication, the same antenna can be  used for transmission and reception Directional Antenna  Omnidirectional Antenna (higher frequency)  (lower frequency) Sridhar Iyer IIT Bombay 21Antennas: isotropic radiator  Radiation and reception of electromagnetic waves,  coupling of wires to space for radio transmission  Isotropic radiator: equal radiation in all directions  (three dimensional) ­ only a theoretical reference  antenna  Real antennas always have directive effects (vertically  and/or horizontally)   Radiation pattern: measurement of radiation around an  antenna z y z ideal y x x isotropic radiator Sridhar Iyer IIT Bombay 22Antennas: simple dipoles  Real antennas are not isotropic radiators  – dipoles with lengths λ /4 on car roofs or λ /2 (Hertzian dipole)  shape of antenna proportional to wavelength  Gain: maximum power in the direction of the main lobe  compared to the power of an isotropic radiator (with the  same average power) λ / λ / 4 2 y y z simple x z x dipole side view (xy­plane) side view (yz­plane) top view (xz­plane) Sridhar Iyer IIT Bombay 23