Fornirvi conoscenze sulla tecnologia ed i protocolli utilizzati nelle Reti Wireless

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1 Università di oma La Sapienza Corso di Laurea Specialistica in Informatica Università di oma La Sapienza Corso di Laurea Specialistica in Informatica eti Avanzate 1 - Introduzione al corso Prof Francesco Lo Presti a.a 010/011 Si ringraziano per questo materiale Il Prof. Antonio Capone, Politecnico di Milano e il Prof. Giuseppe Bianchi, Universita di or Vergata eti Avanzate Il docente Prof. Francesco Lo Presti Ufficio: Dip. di Informatica Via Salaria piano stanza 311 el: lopresti@info.uniroma.it Web page del corso: laurea specialistica, reti avanzate(sara aggiornata a mano a mano) Un anno un po particolare Prof.ssa Petrioli in sabbatico Orario di ricevimento: su appuntamento Scopo del corso eti Avanzate Fornirvi conoscenze sulla tecnologia ed i protocolli utilizzati nelle eti Wireless Ma soprattutto: Insegnarvi a ragionare sui problemi delle reti radio mobili; Comprendere quali siano alcune delle più importanti problematiche che debbono essere affrontate per sviluppare i sistemi di prossima generazione; Studiare alcune delle soluzioni in corso di definizione nella comunità scientifica; Insegnarvi le metodologie con cui si sviluppano e ottimizzano i sistemi radio 3 Prerequisiti: calcolo delle probabilità o sistemi multicomponenti + Architettura di Internet o eti 1 4

2 Scenario di riferimento ad oggi Scenario di riferimento ad oggi-a Ad Hoc access (B-IEEE 80.15) 4G Scenario WIMAX Ad Hoc access (B-IEEE 80.15) 4G Scenario WIMAX Hotspot AP MA i INENE PLMN Session Handover MA j Ambient intelligence MA : Mobility Aware outer : Mobile Client : Mobile Client issuing handover : MA coverage area : wireless cell Hotspot AP MA i -Introduzione alle reti radiomobili INENE -elementi di propagazione sul canale radio Ambient (senza conoscere alcune nozioni base si intelligence progettano soluzioni che non funzionano) -sistemi cellulari di seconda, terza MA : Mobility Aware outer generazione PLMN e LE : Mobile Client : Mobile Client issuing handover -come pianificare un sistema cellulare Session Handover MA j : MA coverage area : wireless cell Wireless Wireless Access Point Access Point MC IDx MC IDx MA i Coverage Area Wireless cell MA 3 j Coverage Area 5 MA i Coverage Area Wireless cell MA 3 j Coverage Area 6 Scenario di riferimento ad oggi-eti Avanzate Scenario di riferimento ad oggi-eti Avanzate Ad Hoc access (B-IEEE 80.15) 4G Scenario WIMAX Ad Hoc access (B-IEEE 80.15) 4G Scenario WIMAX INENE Ambient intelligence INENE Ambient intelligence Hotspot AP Hotspot AP eti Ad Hoc PLMN Session Handover MA i MA - Cenni a reti PAN o di sensori j MA : Mobility Aware outer : Mobile Client : Mobile Client issuing handover : MA coverage area : wireless cell Wireless MA : Mobility Aware outer : Mobile Client -Valutazione delle prestazioni di protocolli di reti MA i PLMN Session Handover MA j Wireless : Mobile Client issuing handover : MA coverage area : wireless cell Access Point Access Point MC IDx MC IDx MA i Coverage Area Wireless cell MA 3 j Coverage Area 7 MA i Coverage Area Wireless cell MA 3 j Coverage Area 8

3 Programma e materiale didattico eti Avanzate Programma del corso Introduzione alle reti radio mobili esto: P.M.Shankar Introduction to Wireless Systems, Wiley 00, cap. e 4 Sistemi cellulari: GSM (cenni a GPS/UMS) esto di consultazione: Bertazioli, Favalli GSM-GPS seconda edizione, Hoepli informatica 00, cap Programma e materiale didattico Programma del corso (standard, dispense, materiale fornito durante il corso) eti Ad Hoc esto: articoli forniti dal docente e disponibili sul web/scaricabili dalle digital libraries a cui La Sapienza e abbonata Valutazione delle prestazioni Appunti del docente eti PAN o sensori Capitoli di libro/articoli scientifici 9 10 Materiale didattico Capitoli dei libri consigliati Lucidi del corso (per alcune lezioni) /appunti del corso Articoli di approfondimento indicati durante il corso (alcuni argomenti trattati solo sugli articoli) Informazioni aggiornate saranno disponibili sul sito web. Consultatelo frequentemente Mailing list del corso fatemi avere i vostri indirizzi Modalità d esame Modalità d esame standard (A) Due esoneri (sulle varie parti del programma) Progetto di valutazione delle prestazioni (in gruppo) 11 1

4 Università di oma La Sapienza Corso di Laurea Specialistica in Informatica Introduzione alle eti adiomobili Scenario di riferimento Diversi modelli di reti radio mobili Caratteristiche delle reti radiomobili Errori nella trasmissione isorse (banda/energia) limitate Medium Access Control Gestione della mobilità eti Avanzate eti Wireless L unica differenza sembra consistere nel mezzo trasmissivo radio, eppure: Le particolari caratteristiche del mezzo hanno un grosso impatto sulle caratteristiche del sistema le reti wireless consentono agli utenti di muoversi e gestiscono automaticamante la loro mobilità Meglio wireless o wired? wireless wired 14 Caratteristiche Il mezzo radio è un mezzo intrinsecamente broadcast (la trasmissione di un terminale è ascoltabile da tutti gli altri) Il mezzo radio è un mezzo condiviso necessità di protocolli di Medium Access Control (MAC) isorse limitate Probabilità di errore nella trasmissione elevata Mobilità dei nodi rende più difficile la progettazione di protocolli Dispositivi portatili fanno affidamento su sorgenti di energia esterne (batterie) per comunicare necessità di protocolli a basso consumo energetico sviluppo di hardware innovativo per energy harvesting e energy scavenging (nel caso di tecnologie e applicazioni dove e fondamentale che il sistema possa operare autonomamente per lunghi periodi di tempo) 15 Penetrazione dell accesso wireless e dell accesso a Internet elefoni cellulari: circa miliardi Connessione a Internet: circa 1 miliardo di persone Wireless Internet No. America 70% 70% Europe 75% 40% Asia 18% 9% WOLDWIDE 30% 15% iferimenti: a) GSM Association b) CDMA Development Group c) Internetworldstats.com Da: Keynote speech Dr. Andrew Viterbi, ACM MobiCom 006 Accesso wireless destinato ad aumentare -minori costi per mancanza di cablaggio (paesi emergenti) -crescenti applicazioni in cui cablaggio non possibile/limitante 16

5 Ad Hoc access (B-IEEE 80.15) Hotspot AP Esempi Applicazioni PAN o uso di un router in ambiente domestico sono esempi in cui la mancanza di cavi WIMAX aumenta la fruibilità ed accresce la soddisfazione dell utente INENE Ambient In scenari di uso di una intelligence WLAN (conferenze, scenari di emergenza etc.) la necessità di comunicare MA : Mobility Aware outer PLMN sporadicamente in un certo : Mobile Client ambiente non giustifica le spese di cablaggio 4G Scenario : Mobile Client issuing handover Modelli di eti Wireless 1) eti con punto di accesso fisso (cellulari) ete fissa MA i Session Handover MA j : MA coverage area : wireless cell MA i Coverage Area MC IDx Wireless cell Wireless Access Point MA 3 j Coverage Area 17 Solo collegamenti terminale mobile punto di accesso fisso 18 eti Wireless ) eti wireless ad-hoc (Wireless LAN) Modelli di eti Wireless 1) eti con punto di accesso fisso (cellulari) Anche collegamenti mobile- mobile nella modalità multi-hop i mobile hanno funzionalità di inoltro dei pacchetti 19 ete fissa Solo collegamenti terminale mobile punto di accesso fisso 0

6 Architettura di una rete radio (rete cellulare) rete di trasporto wired Motivazioni dei sistemi cellulari/delle reti radio Lo scopo primario di un sistema radiomobile è di rendere possibile una connessione anytime, anywhere (collegamento tra utenti mobili, tra utenti mobili e rete fissa.) Il mercato ha avuto un forte sviluppo negli anni 80 e la domanda è ancora in rapida ascesa. ete fissa rete d accesso wireless 1 equisiti di sistemi radiomobili cellulari Capacità possibilità di servire molti utenti Copertura garantire un livello di segnale accettabile a un vasto territorio Qualità garantire parametri di qualità di comunicazione simili a quelli delle reti fisse Flessibilità possibilità di accedere ai servizi di rete fissa interoperabilità con sistemi concorrenti Problemi e limitazioni Scarse risorse radio (banda limitata) Probabilità di errori nella trasmissione elevati Gestione della mobilità degli utenti Estrema variabilità del traffico Consumo energetico deve essere limitato.. 3 4

7 ete telefonica ete cellulare Cosa c è di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia (mobile)? ete d accesso Mezzo radio ha banda limitata ed è condiviso canale wireless tra più utenti mezzo trasmissivo condiviso e non dedicato ete telefonica ete cellulare Cosa c è di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia (mobile)? SOLUZIONI Codifica della voce per risparmiare risorse radio si abbandona il vecchio PCM a 64 Kbit/s e si passa a codificatori a bassa velocità Centale telefonica Doppino telefonico Canale adio 5 Codifica di sorgente 13 kb/s (GSM) Mezzo radio ha banda limitata ed è condiviso tra più utenti 6 Copertura Cellulare La copertura del territorio è ottenuta con stazioni radio base (base station BS) che offrono accesso radio ai terminali mobili (Mobile Station MS) nella loro area di servizio, detta CELLA Base Mezzo radio Station ha banda limitata ed è condiviso tra più utenti ete telefonica ete cellulare Cosa c è di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia (mobile)? Scarsita delle risorse (mezzo condiviso) iuso delle risorse (esempio: concetto di riuso delle frequenze) Ammissione delle chiamate solo se sufficienti risorse Mobile Station Cella=Area di copertura di una BS Cella IDEA= IUSO delle frequenze 7 Le stesse frequenze possono essere riutilizzate se le trasmissioni non 8 interferiscono

8 ete Cellulare ete Cellulare La rete cellulare è costituita anche da una parte fissa che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità degli utenti Esempio: set up chiamata, gestione mobilità Base Station Mobile Station PLMN Public Land Mobile Network La rete cellulare è costituita anche da una parte fissa che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità degli utenti Esempio: set up chiamata, gestione mobilità Base Station Mobile Station Accesso adio 9 Come faccio a sapere dove si trova un utente (e quindi come istradare una chiamata verso di lui?) Accesso adio Come faccio a mantenere attiva una chiamata nel caso in cui il movimento di un utente in Conversazione gli faccia cambiare cella? ete Cellulare PLMN Public Land Mobile Network Un messaggio inviato può essere ascoltato da tutti i dispositivi nel raggio trasmissivo del sender Problematiche di sicurezza: Mobile Station -autenticazione (l utente che accede al adio Accesso servizio ha il diritto di farlo?) -cifratura (per proteggere la confidenzialità dei dati trasmessi) 30 ete Cellulare La rete cellulare è costituita anche da una parte fissa che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità degli utenti Esempio: set up chiamata, gestione mobilità Base Station PLMN Public Land Mobile Network La rete cellulare è costituita anche da una parte fissa che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità degli utenti Esempio: set up chiamata, gestione mobilità Base Station 31 PLMN Public Land Mobile Network Come simobile allocano le risorse per una Station Accesso adio chiamata? Come si decide quale chiamata deve essere accettata e quale rifiutata nel caso di risorse radio limitate? 3

9 ete telefonica ete cellulare Cosa c è di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia (mobile)? Errori frequenti nella trasmissione Attenuazione, riflessione, Interferenze rifrazione,diffrazione del segnale multipath fading pacchetto ricevuto vedremo piu avanti ete telefonica ete cellulare Cosa c è di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia (mobile)? Dispositivi portatili hanno bisogno di far affidamento su risorse di energia esterne (ad esempio batterie) per il loro funzionamento Necessario minimizzare il consumo energetico (soprattutto dell interfaccia radio necessario per tx/rx pacchetti) Help! No energy!! Canale adio pacchetto trasmesso eti Wireless ) eti wireless ad-hoc (Wireless LAN) Problematiche nelle reti ad hoc Anche collegamenti mobile- mobile nella modalità multi-hop i terminali mobili hanno funzionalità di inoltro dei pacchetti 35 Il mezzo radio è condiviso necessità di protocolli di medium access control 36

10 Problematiche nelle reti ad hoc-mac Problematiche nelle reti ad hoc A B A D B Hidden terminal Se A e B trasmettono un pacchetto si verifica una collisione in D di cui né A né B possono accorgersi direttamente 37 Mezzo radio ha una banda limitata, probabilità di errori nella trasmissione sul mezzo fisico elevata (stesse problematiche che nel caso cellulare, magari con sol. diverse) 38 Problematiche nelle reti ad hoc Problematiche nelle reti ad hoc A A B B Problematica unica di queste reti: Come si istradano i pacchetti da A a B (routing?) Problematica unica di queste reti: Come si istradano i pacchetti da A a B (routing?) 39 Come gestiamo il route maintenance nel caso Di mobilità (anche elevata dei nodi?) 40

11 Problematiche nelle reti ad hoc Problematiche nelle reti ad hoc Help! No energy!! Scelte che possono minimizzare il consumo energetico a tutti i livelli Dello stack protocollare:controllo di potenza, MAC, data link, routing, trasporto Come istradare i pacchetti minimizzando il consumo energetico, tenendo conto delle diverse energie residue dei nodi 41 Non sorprende che il comitato di standardizzazione delle reti ad hoc. Il gruppo MANE dell IEF si occupi essenzialemente di routing! (uno degli aspetti più importanti e peculiari delle reti ad hoc) 4 ete telefonica ete cellulare Cosa c è di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia (mobile)? Analizziamo adesso brevemente ciascuno di questi aspetti Quelli più legati alle problematiche di rete saranno poi ripresi in seguito Canale Wireless canale wireless mezzo condiviso gestione della mobilità codifica della voce consumo energetico 43 44

12 Canale wireless he radio spectrum ispetto ai mezzi cablati il canale radio è un mezzo di trasmissione molto più inaffidabile I segnali che si propagano in aria sono soggetti a fenomeni di: Attenuazione funzione della distanza tra trasmettitore e ricevitore Attenuzione dovuta ad ostacoli Propagazione per cammini multipli (multipath) he radio spectrum Attenuation phenomena for millimeter waves (EHF) 47 48

13 Problemi nella propagazione del segnale Problemi nella propagazione del segnale Line of sight eflection Diffraction When the surface encountered has sharp edges bending the wave BS MS Shadowing Scattering When the wave encounters objects smaller than the wavelength (vegetation, clouds, street signs) BS Example scenarios LINE OF SIGH + Diffraction, reflection, scattering Example scenarios: LOS path non necessarily existing (and unique) Example: city with large buildings; No LINE OF SIGH; Diffraction; reflection diffraction LOS reflection 51 5

14 Attenuazione del segnale Slow fading fast fading Signal power Signal power Fast fading Short term fading Distance BS MS (m) Distance BS MS 53 slow fading Long term fading Distance BS MS (km) 54 Signal power Attenuazione del segnale Canale wireless: attenuazione da distanza Una sorgente puntiforme isotropica (isotropic radiator) che trasmetta un segnale di potenza P lo irradia in modo uniforme in tutte le direzioni Vediamo di comprendere quale la legge che consente di esprimere l attenuazione del segnale in funzione della distanza Distance BS MS sorgente distanza d area La densità di potenza sulla superficie di una sfera centrata nella sorgente puntiforme e con raggio d è data da: P F = 4πd [W/m ] 55 56

15 Esempi di antenne Graphical representation of radiation properties of an antenna Depicted as two-dimensional cross section y y z side view (xy-plane) y side view (xy-plane) x x side view (yz-plane) y side view (yz-plane) z z top view (xz-plane) z top view (xz-plane) x x simple dipole directed antenna Antenna Gain Isotropic antenna (idealized) adiates power equally in all directions (3D) eal antennas always have directive effects (vertically and/or horizontally) Antenna gain Power output, in a particular direction, compared to that produced in any direction by a perfect omni-directional antenna (isotropic antenna) power density at a distance d in the direction of maximum radiation Directivit y D = mean power density at a distance d Gain G = power density at a distance d in the direction of / 4 Directional antennas point energy in a particular direction Better received signal strength Less interference to other receivers More complex antennas P πd maximum radiation Canale wireless : attenuazione da distanza Indicando con g il guadagno massimo abbiamo che la densità di potenza in tale direzione risulta: P g F = 4πd [W/m Il prodotto P g è chiamato EIP (Effective Isotropically adiated Power) e rappresenta la potenza necessaria con una sorgente isotropica per raggiungere la stessa densità di potenza di una antenna direttiva ] Canale wireless : attenuazione da distanza La potenza ricevuta ad un ricevitore a distanza d dala sorgente, in assenza di ostacoli e presenza di LOS, può essere espressa come: P = P g g λ 1 4πd dove P rappresenta la potenza irradiata dal trasmettitore, g e g i guadagni delle antenne del trasmettitore e ricevitore, λ la lunghezza d onda (c/f) e d la distanza tra trasmettitore e ricevitore. L>1 tiene conto degli HW losses. L 59 60

16 Power units - decibel Decibel (db): modo di rappresentare in maniera logaritmica i rapporti tra le potenza 10log ( P / P 1 ) Logaritmo in base 10 P A = 1 Watt P B = 1 milliwatt 30 db PA = tre ordini di grandezza piu grande di P B ad esempio il guadagno dell antenna e espresso in db Decibels - dbm dbm = rapportato ad una potenza di 1mW Potenza in dbm = 10 log(potenza/1mw) Potenza in dbw = 10 log(potenza/1w) Esempio 10 mw = 10 log 10 (0.01/0.001) = 10 dbm 10 µw = 10 log 10 ( /0.001) = -0 dbm S/N ratio = -3dB S = circa 1/ N Properties & conversions dbm = 10 log 10 (P (W) / 1 mw) = P (dbw) + 30 dbm 61 6 normalized frequency [MHz] speed of light [Km lambda (m) gain x 1 Gain x 1 Loss 1 Ptx [W] 5 distance (Km) Prx W Prx dbm E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E er (dbm) received powe Example distance (m) Computation with db Se la potenza ricevuta è inferiore ad una certa soglia il segnale non può essere correttamente ricevuto 63 64

17 Canale wireless : attenuazione da distanza Canale wireless : attenuazione da distanza La PL = λ 4πd La PL = λ 4πd rappresenta l attenuazione da spazio libero. ale attenuazione non è l unica che subisce il segnale ma anche altre attenuazioni possono essere presenti a causa dell atmosfera (dipendente dalla frequenza e da nebbia, pioggia, ecc.) e di ostacoli (assorbimento, riflessione, diffrazione, ecc.) 65 rappresenta l attenuazione da spazio libero. P ale attenuazione non è l unica che subisce il segnale ma = anche altre attenuazioni possono essere P presenti a causa λ 1 dell atmosfera (dipendente P dalla frequenza e da nebbia, g g pioggia, ecc.) e di ostacoli (assorbimento, 4πd L riflessione, diffrazione, ecc.) se g P P, g =, L = 1 λ 4πd P 66 Canale wireless : attenuazione da distanza Path loss (propagation loss) in db La PL = λ 4πd rappresenta l attenuazione da spazio libero. ale attenuazione non è l unica che subisce il segnale ma anche altre attenuazioni possono essere presenti a causa dell atmosfera (dipendente dalla frequenza e da nebbia, pioggia, ecc.) e di ostacoli (assorbimento, riflessione, diffrazione, ecc.) Indicata anche con L free nel seguito P P = P G G P λ 4πd 1 L 67 68

18 Path loss (propagation loss) in db (formula generale) Indicata anche con L free nel seguito Free space loss (sintesi) Se L=1, guadagni antenne=1 Dipende dalla distanza ma anche dalla frequenza Alcune elaborazioni sulla formula dell attenuazione Alcune elaborazioni sulla formula dell attenuazione P = P g g λ 4πd L=1 P = P g g λ 4πd L=1 Se si conosce il valore ad una distanza di riferimento Se si conosce il valore ad una distanza di riferimento P (d) = P (d ref ) (d ref /d) P (d) = P (d ref ) (d ref /d) P (d) dbm= P (d ref )dbm +0 log 10 (d ref /d) P (d) dbm= P (d ref )dbm +0 log 10 (d ref /d) 71 P ( d) = P ( d ) λ 1 P g g 4πd L e f λ 1 P g g 4πd e f L d = d e f 7

19 Canale wireless : attenuazione da distanza La potenza al ricevitore nel caso di propagazione in spazio libero può essere espressa come: P = P g g λ 1 4πd L Canale wireless : attenuazione da distanza Si può far vedere che nel semplice caso di propagazione con due raggi, uno diretto ed uno riflesso completamente... d h 1 dove P rappresenta la potenza irradiata dal trasmettitore, g e g i guadagni delle antenne del trasmettitore e ricevitore, λ la lunghezza d onda (c/f) e d la distanza tra trasmettitore e ricevitore. L>1 tiene conto degli HW losses il rapporto tra potenza ricevuta e potenza trasmessa assume la forma: P P = g g h h d 1 h 74 Canale wireless : attenuazione da distanza Nell ipotesi della propagazione per due raggi la potenza ricevuta decresce, a causa dell attenuazione dovuta alla distanza, molto più velocemente (~1/d 4 ) che nel caso di propagazione in spazio libero (~1/d ) In realtà la propagazione tipica dei sistemi wireless è spesso diversa e più complessa di questi due casi Nonostante ciò di solito si utilizza una formula simile anche nel caso generale dove però l esponente di della distanza (coefficiente di propagazione η) può assumere valori compresi tra (spazio libero) e 5 (forte attenuazione ambiente urbano): P = P g g λ 4π 1 d η Example scenarios: LOS path non necessarily existing (and unique) Example: city with large buildings; No LINE OF SIGH; Diffraction; reflection diffraction reflection 75 76

20 Example scenarios Extended formula LINE OF SIGH + Diffraction, reflection, scattering LOS Una parentesi. Path loss: Modelli empirici Okumura-Hata model Consider specific scenarios Urban area (large-medium-small city), rural area Models generated by combining ray traces (LOS, reflected, diffracted, scattered) Based on large amount of empirical measurements Account for parameters Frequency; antenna heights; distance Account for correction factors (diffraction due to mountains, lakes, road shapes, hills, etc) First model: Okumura, 1968 VEY complex due to many specific correction factors! (type of environment, presence of mountains, lakes, road shapes, ) 79 Hata (1980): very simple model to fit Okumura results Provide formulas to evaluate path loss versus distance for various scenarios Large cities; Small and medium cities; ural areas Limit: d>=1km Parameters: f = carrier frequency (MHz) d = distance BS MS (Km) h bs = (effective) heigh of base station antenna (m) h ms = height of mobile antenna (m) Effective BS Antenna height 80

21 L path Okumura-Hata: urban area ( db) = log + ( log10 hbs ) 13.8 log h a( h ) 10 bs ms 10 log f 10 + d + a(h ms ) = correction factor to differentiate large from medium-small cities; depends on MS antenna height large cities : a small- med cities : ( hms ) = 3.[ log10( 11.75hms )] 4.97 f 400MHz a( h ) = [ 1.1log f 0.7] h [ 1.56 log f 0.8] ms 10 ms 10 L path Okumura-Hata: urban area ( db) = log + ( log10 hbs ) 13.8 log h a( h ) 10 bs ms 10 log f 10 + d + a(h ms ) = correction factor to differentiate large from medium-small L cities; free = log 10 (f)+0log 10 (d) depends on MS antenna height large cities : a small- med cities : ( hms ) = 3.[ log10( 11.75hms )] 4.97 f 400MHz a( h ) = [ 1.1log f 0.7] h [ 1.56 log f 0.8] ms 10 ms 10 Very small correction difference between large and small cities (about 1 db) 81 Very small correction difference between large and small cities (about 1 db) 8 Okumura-Hata: suburban & rural areas Okumura-Hata: examples Start from path loss L p computed for small and medium cities suburban : L path ( db) = L p log f [ f ] log rural: Lpath( db) = Lp 4.78 log 10 f 10 path loss (db) distance (km) large cities small cities suburbs rural area F=900MHz, h bs =80m, h ms =3m 83 84

22 Slow fading fast fading Canale wireless : fading multipath Signal power Fast fading slow fading Distance BS MS (m) Distance BS MS (km) 85 Nella propagazione tra sorgente e destinazione il segnale può seguire più percorsi a causa della riflessione totale o parziale da parte di ostacoli Il comportamento delle onde sugli oggetti dipende dalla frequenza del segnale e dalla caratteristiche e dimensioni degli oggetti In generale, onde a bassa frequenza possono attraversare senza attenuazione molti oggetti, mentre all aumentare della frequenza i segnali tendono ad essere assorbiti o riflessi dagli ostacoli (ad altissima frequenza oltre 5 GHz è possibile quasi solo la propagazione diretta). 86 Canale wireless : fading multipath Canale wireless : fading multipath 1,5 1 0,5 0 s(t) s(t+) s(t)+s(t+) Il segnala risultante può essere attenuato ,5-1 =4/5π -1,5 Le repliche del segnale che giungono dai diversi cammini si ricombinano al ricevitore Il risultato della ricombinazione dipende: numero delle repliche fasi relative ampiezze frequenza la potenza del segnale differisce from place to place,5 1,5 1 0,5 0-0, ,5 - s(t) s(t+) s(t)+s(t+) O addirittura amplificato = π /6 from time to time! 87 -,5 88

23 Slow fading fast fading ayleight fading Signal power Se c e una componente LOS Fast fading: ayleight or ician distributed Distance BS MS (m) slow fading: lognormal distributed Distance BS MS (km) ayleight fading ayleight fading 91 9

24 Considerazioni sul fading 1,5 1 0,5-1 -1,5 Canale wireless : fading multipath ,5 s(t) s(t+) s(t)+s(t+) Il segnala risultante può essere attenuato =4/5π 93,5 1,5 1 0,5 0-0, ,5 - -,5 s(t) s(t+) s(t)+s(t+) O addirittura amplificato = π /6 94 Canale wireless : fading multipath Esempio Il realtà la propagazione per cammini multipli può provocare altri più complessi problemi nel caso di trasmissione digitale In questo caso, infatti, i diversi ritardi delle repliche del segnale trasmesso (delay spread) provocano un allargamento della risposta all impulso del canale che può portare a interferenza intersimbolica (ISI Inter-Symbol Interference) (prossima slide ) 95 96

25 Esempio Impulse response Possibilità di interferenza intersimbolica!! Canale wireless : fading multipath La rilevanza del delay spread può essere quantificata calcolando il suo valore quadratico medio (MS Delay Spread): con τ n 1 τ = τ n MS i= 1 d = n ( τ P ) i= 1 i P i i n i 1 P = i i=1= 1 ( P ) τ i τ MS τ i P i n i d MS delay spread ritardo del path i potenza ricevuta path i numero di path Canale wireless : fading multipath L inverso del delay spread fornisce la banda di coerenza Se la banda di coerenza è molto maggiore della banda del segnale il delay spread non pone problemi Se al contrario la banda di coerenza è comparabile con quella del segnale il delay spread provoca interferenze intersimbolica non trascurabile e errori in ricezione In questo caso per ovviare alla distorsione in frequenza del canale occorre equalizzare con un opportuno filtro adattativo in ricezione

26 Protocolli a basso consumo energetico I dispositivi portatili hanno bisogno di sorgenti esterne di energia (batterie, celle solari) per poter operare Il tempo di vita delle batterie rimane limitato. Aumentano le richieste di energia dei dispositivi portatili Consumo energetico Occorre quindi evitare il piu possibile sprechi di energia per massimizzare il tempo in cui i dispositivi possono essere operativi Varie componenti del consumo energetico (display, interfaccia radio, CPU...). ipicamente consumo dovuto all interfaccia radio una delle componenti piu significative Consumo energetico dell interfaccia radio Il transceiver puo essere in uno di questi stati tx rx idle asleep Awake and transmitting Awake and receiving Awake, neither transmitting nor receiving Asleep: interfaccia radio non operativa (non si puo Ne trasmettere ne ricevere) Consumo dipende dallo stato e dal transceiver. Valori di riferimento, caso WLAN:E(x)<=E(x)=E(x); E(idle) un po piu bassa E(rx); E(asleep) MOLO piu bassa (e.g. 1/100) 103 Protocolli a basso consumo energetico per l interfaccia radio Obiettivo: minimizzare il consumo energetico (cercando di tenere i nodi il piu possibile in stati a basso consumo energetico; tenendo anche conto dei costi per passare da uno stato all altro) MANENENDO buone prestazioni rispetto alle metriche classiche (troughput, ritardo,...) Criteri generali: Evitare di trasmettere/ricevere informazioni ridondanti/non necessarie o evitare di tx quando c e una probabilita elevata che il pacchetto vada perso Attenzione alla ricezione: costa e non e predicibile quando dovro ricevere alternanza stati di awake/alseep minimizzazione del consumo energetico legato alla rasmissione di informazione 104

27 Protocolli a basso consumo energetico per l interfaccia radio. Esempi: Evitare di trasmettere/ricevere informazioni ridondanti/non necessarie o evitare di tx quando c e una probabilita elevata che il pacchetto vada perso Esempi: compressione Minimizzazione del numero di messaggi di controllo inviati Evitare di ricevere completamente pacchetti di cui non si e destinazione (ricordatevi che il mezzo fisico e broadcast!!) - bloccare le ritrasmissioni di pacchetti persi under heavy fading 105 Protocolli a basso consumo energetico per l interfaccia radio. Esempi: minimizzazione del consumo energetico legato alla trasmissione di informazione Esempi: Power control (non trasmetto alla massima potenza del dispositivo ma con sufficiente potenza affinche il o i vicini mi ricevano) Instradamento su piu hop corti puo convenire Incoming information Energy in adio: the Deeper Story. x: Sender E x elec ransmit electronics E F Power amplifier Channel x: eceiver E x elec eceive electronics Outgoing information Wireless communication subsystem consists of three components with substantially different characteristics heir relative importance depends on the transmission range of the radio Da Mobicom 00 tutorial M. Srivastava, D. Estrin Examples GSM Nokia C01 Wireless LAN nj/bit nj/bit nj/bit 0 E F x E elec x E elec EF x E elec x E elec Medusa Sensor Node (UCLA) x E elec he F energy increases with transmission range x E elec he electronics energy for transmit and receive are typically comparable Da Mobicom 00 tutorial M. Srivastava, D. Estrin E F ~ 1 km ~ 50 m ~ 10 m 108

28 Protocolli a basso consumo energetico per l interfaccia radio Alternanza stati di awake e asleep Esempio: in ricezione: quando sara pronto a ricevere il dispositivo? conoscenza di questa informazione fondamentale perche coppie di dispositivi possano comunicare efficacemente rade-off: latency/energy. Asleep time lunghi Basso consumo energetico Attesa lunga prima di poter comunicare con il nodo Protocolli a basso consumo energetico per l interfaccia radio MAC:collisioni = sprechi energetici Data link: FEC/AQ? outing: istradamento a basso consumo energetico... Necessita di tener conto del consumo energetico in tutti gli strati protocollari Accesso adio Condiviso 111 Accesso radio condiviso Per far comunicare stazione radio base e stazioni mobili i sistemi cellulari usano la banda radio assegnata dalle autorità responsabili Questa risorsa trasmissiva è condivisa da tutte le comunicazione e va dunque in qualche modo divisa (in modo statico o dinamico) tra i flussi informativi La divisione della risorsa radio porta alla creazione di canali radio fisici Nel caso di servizio voce la tecnica di commutazione utilizzata è di tipo a circuito e quindi un canale fisico è assegnato ad ogni comunicazione stazione base stazione mobile (canale di traffico dedicato) Lo stesso avviene per il servizio dati a circuito Nel caso di servizio dati a pacchetto i canali possono essere condivisi dinamicamente (canale di traffico condiviso) Altri canali, come vedremo, servono per scopi di servizio (canali di controllo e segnalazione) 11

29 Accesso radio condiviso: Multiplazione La multiplazione di livello fisico è la tecnica che consente di creare i canali fisici nel caso in cui la stazione trasmittente sia unica consiste nel suddividere la capacità di un canale in sottocanali di velocità inferiore Accesso radio condiviso: Multiplazione La stazione trasmittente coinvolta è unica Problema tipico della tratta downlink (forward link) di sistemi cellulari (dalla stazione base ai terminali d utente) Accesso radio condiviso: Accesso Multiplo ecnica con la quale da un unico canale broadcast se ne possono ricavare altri di tipo punto-punto Le stazioni trasmittenti possono essere molteplici (problema di coordinamento) Problema tipico della tratta uplink (reverse link) di sistemi cellulari (dai terminali d utente alle stazioni base) Necessita di protocolli di MAC (esempio:fdma/dma) Nota che è necessaria anche una tecnica per la divisione tra canali uplink e canali downlink (tecnica di duplexing) vedi corso di eti Multiplazione Accesso Multiplo Accesso radio condiviso: Multiplazione/Accesso Multiplo Nodo 1 Nodo 1 AM MPX Nodo AM Nodo Nodo 3 Canale broadcast AM DMPX Nodo 4 Ci occuperemo in seguito in dettaglio delle tecniche di accesso multiplo e multiplazione AM 116

30 Accesso radio condiviso: iuso di frequenze La risorsa radio deve essere divisa tra stazioni radio base Il problema in questo caso è più complesso La quantità di risorsa radio (banda) è molto limitata e non è possibile dedicarla in modo esclusivo ad un canale fisico di una particolare cella Nella divisione della risorsa radio tra le celle in qualche modo la risorsa viene riusata più volte in celle sufficientemente distanti in modo che l interferenza reciproca risulti fortemente attenuata (si ricordi il path loss) E chiaro che il riuso di frequenze è critico e determina da un lato il numero di canali che si riesce ad assegnare a ciascuna cella e dall altro la qualità del canale Dedicheremo nel seguito molta attenzione al problema! 117 Accesso radio condiviso: Prestazioni Indipendentemente dal modo con il quale la risorsa viene suddivisa il numero di canali che si riesce ad assegnare a ciascuna cella è limitato Salvo casi particolari (e che vedremo come quelli di allocazione dinamica, ) il numero di canali è anche fisso Il numero di conversazioni contemporanee per cella è limitato ed è dunque possibile che all arrivo di una chiamata a circuito (ad es. voce) non vi siano più canali disponibili nella rete d accesso radio (blocco della chiamata) Per valutare le prestazioni in termini di probabilità di blocco della chiamata occorre caratterizzare il traffico - Processo degli arrivi (chiamate voce ben modellate da processo di Poisson) - asso degli arrivi - Durata media della chiamata 118 Processo degli arrivi La probabilità che il numero di arrivi N(t,t+τ) in un intervallo temporale fra t e t+τ sia pari a k è data da: k λτ ) λτ ( P[ N( t, t + τ) = k] = e k! Il raffico In condizioni di stazionarietà le medie non dipendono da raffico medio (chiamate attive) in un intervallo di lunghezza E[A()] = A A = λ X λ frequenza media dell arrivo delle chiamate (call/s) X durata media dei messaggi (s) A non ha dimensione Il traffico si misura in Erlang

31 Come caratterizzare lo smaltimento di traffico in una cella: Sistemi di servizio Ad un sistema di servizio arrivano richieste di servizio secondo un processo (puntuale) degli arrivi Ciascuna richiesta è caratterizzata da un tempo di servizio necessario ad uno dei serventi per soddisfarla E possibile la presenza di un sistema di attesa (o coda) dove le richieste attendono che un servente si liberi eoria del traffico: Sistema a pura perdita Per modellare l arrivo delle chiamate in una cella con un numero di canali disponibili pari a n basta usare un sistema a pura perdita (senza posti in coda) con n serventi Si mostra che, nell ipotesi di arrivi di Poisson, la probabilità di rifiuto di una chiamata è data dalla formula B di Erlang: n B( n, A) = n A n! A k k k = 0! arrivi serventi 11 dove A=λ (in Erlang), λ frequenza media degli arrivi (call/s), durata media delle chiamate NOA: vale per qualunque distrib. della durate delle chiamate 1 eoria del traffico: Sistema a pura perdita Il traffico perso (rifiutato) dal sistema è dato da: eoria del traffico: Probabilità di blocco A p = A B( n, A) mentre quello smaltito da: A s ( 1 B ( n, A ) = A Ap = A ) Il coefficiente di utilizzo dei canali è dato da: ( 1 B( n, A) ) A ρ = s A =, 0 ρ 1 n n 13 14

32 eoria del traffico: Probabilità di blocco eoria del traffico: Probabilità di blocco Al crescere del carico offerto (Erlang) cresce la probabilità di blocco 15 Data una probabilità di blocco desiderata, più alto il numero 16 di canali, più elevato il traffico offerto che può essere sostenuto eoria del traffico: Probabilità di blocco 17 Data una probabilità di blocco desiderata e dato un traffico atteso (target di utenti) quale è il numero minimo di canali necessario?