Chapter 5 Celluar Telephony

Table of contents

Celluar Telephony

• Each celluar service area is divided into small regions called cells
• Each cell contains an antenna and is controlled by a small office, called the base station (BS) (기지국)
• Each base station is controlled by a switching office, called a mobile switching center (MSC)
  • MSC는 기지국을 control한다.
  • MSC가 핵심적인 역할을 한다. 전화를 연결하고, 전화를 얼마나 했는지, 데이터를 얼마나 썼는지 등
  • 그거에 따라 과금을 하기도 한다.
• The MSC coordinates communication between all the base stations and the telephone central office
  • It is responsible for connetcing calls, recording call information, and billing

• 휴대폰의 무선 연결은 BS까지
• 기지국과 연결이 되는 범위가 Cell이다. (가상의 공간)
• BS과 MSC는 유선으로 연결이 된다. (서울-부산이면 기지국까지만 무선으로 연결된다.)
• 하나의 MSC에 연결의 Cell들이 연결돼 있다.
• BS는 생각보다 하는 역할이 없다.

Frequency-reuse Principle

• In a pattern with reuse factor 4, only one cell separates the cells using the same set of frequencies.
• 각 셀마다 주파수를 다른 주파수를 사용한다. (왼쪽 그림은 최소한 네 개의 서로 다른 주파수가 있어야 한다.)
• 같은 주파수를 사용하면 통신을 하는 데에 방해를 받는다.
• 그래도 혹시 파란 1번이 회색 1번까지 갈 수 있으니, 조금 더 안심하게 하기 위해서, 오른쪽 그림은 7개 셀을 사용한다.)
• 위의 설명을 reuse factor라고 한다. (7개 말고도 더 늘릴 수 있다.)
• 서울과 지방 SBS radio 주파수가 다른 것이 그 원리이다.
• 차를 몰고 가다 보면, 점점 다른 지역으로 가게 되면 라디오가 지직거린다. (각 지역의 주파수를 찾아서 맞추어야 한다.)

Transmitting

• The mobile station scans the band, seeking a setup channel with a strong signal, and sends the data (phone number) to the closest base station using that channel.
• The base station relays the data to the MSC.
• The MSC sends the data on to the telephone central office.
• If the called party is available, a connection is made and the result is relayed back to the MSC.
• mobile station이 band를 스캔한다. (나의 기지국이 어디있지?)
• 인접 기지국들에서 신호가 잡히는데, strong signal이 오는 곳의 기지국과 연결을 한다.
• 휴대전화에서 이제 data를 보내면, BS에서 그 data를 MSC로 relay한다.
• MSC는 다시 telephone central office로 data를 전송하고, 알맞은 원격지로 data가 찾아가게 된다.

Receiving

• MSC는 자기 자신이 관장하는 cell들에게 paging이라는 것을 보낸다.
• 통상적으로 그 번호가 어디 있는지 알고 있다. (전화를 했는데, 상대 전화기가 꺼져 있다면 그 어느 MSC에도 존재하지 않는 것이다.)
• 내가 전화하려는 mobile station은 어느 기지국에 있는 것인가? (paging)
• 어느 곳에 있다는 것을 알게 되면, call setup이 연결되고, 전화가 된다.
• MSC searches for the location of the mobile station by sending query signals to each cell in a process called paging
• MSC transmits a ringing signal and, when the mobile station answers, assigns a voice channel to the call.

Handoff

• The mobile station moves from one cell to another. When it does, the signal may become weak. The MSC seeks a new cell that can better accommodate the communication.

• 한 셀에서 다른 셀로 가는 것을 handoff라고 한다.

• Hard Handoff

• Communication must first be broken with the previous base station before communication can be established with the new one. (a “break before make” connection)

• break before make connection (통화가 안될 가능성이 생김)

• hard handoff는 위험 부담이 있다.

• 새로 connection을 맺으려는 BS에 더 이상 선이 없어서, 수용이 안될 수도 있다.

• Soft Handoff A mobile station can communicate with two base stations at the same time. During handoff, a station may continue with the new base station before breaking from the old one. (a “make before break” connection)

• make connection before break (중간 구역에서는 양다리를 걸친다.)

• 딴 구역으로 들어가는 순간, 이전의 통신을 끊는다. 현재는 대부분 Soft Handoff를 사용한다.

Roaming

• Neighboring service providers can provide extended coverage through a roaming contract
• 예: 호주에 있는 사람이 영국으로 가도 서로 통신이 되는 구조

이동통신 서비스의 진화

• 와이브로는 지금 거의 사용되지 않음

First Generation

• subscriber line을 없애서 통신하려고 나온 것.
• it was designed for voice communication using analog signals.
• Advanced Mobile Phone System (AMPS)
  • it uses FDMA(Frequency Division Multiple Access) to separate channels in a link
  • AMPS operates in the $800MHz$ band
  • the system uses two separate analog channels for forward and reverse.

상기 그림에서

• Each band is $25MHz$, made of 832 $30kHz$ analog channels.
• 이론상 832대가 동시에 통화가 가능하다.
• 채널을 할당해 주고, 그것으로 소통한다.
• 원래 목적이 subscriber line을 대체하는 것이라, $300Hz$~$3300Hz$ 사이의 사람 목소리 주파수 대역이 $3kHz$라 그리 설정했다.
• frequency modulation이라는 것을 사용하면, 폭이 $30kHz$로 늘어난다.

Second Generation (2G)

• the second generation was mainly designed for digitized voice.

• IS-136 D-AMPS

• GSM

• IS-95 CDMA

D-AMPS

• digital로 변환하면서 기존에 비해 최대 3배 수용이 가능해졌다.
• 832개의 채널을 하나 뽑아서, 3대를 연결한다.
• time division multiple access (TDMA)를 사용해서 3배 수용이 가능해졌다.
• The evolution of the analog AMPS into a digital system is digital AMPS.
• D-AMPS uses the same bands and channels as AMPS.
• D-AMPS, or IS-136, is a di ital cellular hone s stem usingTDMA and FDMA.

GSM

• Global System for Mobile Communcation (유럽 표준)
• reuse factor: 3
• The Global System for Mobile Communication (GSM) is a European standard. The aim was to replace a number of incompatible 1G technologies.
• Because of the complex error correction mechanism, GSM allows a reuse factor as low as 3.
• GSM은 8명이 들어올 수 있다.
• $25MHz$ 채널을 124개의 채널로 나누고, 한 채널은 $200kHz$이다.
• 한 채널에 8명이 들어 온다.

내부 프레임 구조:

IS-95

• Interim Standaard 95, based on CDMA and DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
• 이때 부터 GPS 지원
• Pilot channel sends a continuous stream of 1s to mobile station
• 디지털 통신이 가능했다.
• IS-95 defines two data rate sets
  • first set: 9600, 4800, 2400, 1200bps
  • second set: 14400, 7200, 3600, 1800bps

• 휴대폰 ESN(electornic serial number) 으로 사용자 식별 (이거와 음성을 섞어 채널로 쏜다.)
• 20개의 채널이 있다. 한 채널에 64명의 사용자를 수용할 수 있었다.
• 음성은 3kHz로 가정한다.
• 음성과 ESN을 섞어서 채널로 쏘는 구조였다.
• 전화를 받을 때에도 ESN이 관련된다.

Third Generation

• The 3G can provide both digital data and voice communication.

• The 3G concept started in 1992, when ITU issued a blueprint called Internet Mobile Communication for year 2000 (IMT- 2000).

• Some criteria for 3G technology as outlined the next slide.

• provide both digital data and voice communication

• Internet Mobile Communication for 2000 (IMT-2000)

• voice quality comparable to that of the existing public telephone network

• 144Kbps, 384Kbps, 2Mbps

• a band of 2GHz

• bandwidth: 2MHz

• 인터넷 사용가능

Fourth Generation (4G)

• data rate 100Mbps (moving car), 1Gbps for stationary user
• 모든 걸 IP packet으로 바꿔서 보내겠다. All IP, packet-switched, networks
• Some of the objectives defined by the 4G working group are as follows: A spectrally efficient system High network capacity
• Data rate of 100Mbps for access in a moving car and I Gbps for stationary users.
• Data rate of at least 100Mbps between any two points in the world.
• Smooth handoff across heterogeneous networks. High QoS for next generation multimedia support.
• Interoperability with existing wireless standards
• All IP, packet-switched. networks.