Reti Avanzate e sviluppo e ottimizzazione di sistemi wireless (lezione introduttiva congiunta)

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1 Università di Roma La Sapienza Corso di Laurea Specialistica in Informatica Reti Avanzate e sviluppo e ottimizzazione di sistemi wireless (lezione introduttiva congiunta) Dott.ssa Chiara Petrioli a.a 2006/2007 Si ringraziano per questo materiale Il Prof. Antonio Capone, Politecnico di Milano e il Prof. Giuseppe Bianchi, Universita di Tor Vergata

2 Università di Roma La Sapienza Corso di Laurea Specialistica in Informatica 1 - Introduzione al corso Reti Avanzate

3 Dott.ssa Chiara Petrioli Ufficio: Dip. di Informatica Via Salaria piano stanza 311 Tel: petrioli@di.uniroma1.it Il docente Web page: Web page del corso: laurea specialistica, reti avanzate(sara aggiornata a mano a mano) Orario di ricevimento: Mercoledì

4 Scopo del corso Fornirvi conoscenze sulla tecnologia ed i protocolli utilizzati nelle Ma soprattutto: Insegnarvi a ragionare sui sui problemi delle delle reti reti radio radio mobili; mobili; Comprendere quali quali siano siano alcune alcune delle delle più più importanti problematiche che che debbono essere essere affrontate per per sviluppare i i sistemi sistemi di di prossima generazione; Studiare alcune alcune delle delle soluzioni in in corso corso di di definizione nella nella comunità scientifica; Insegnarvi le le metodologie con con cui cui si si sviluppano e e ottimizzano i i sistemi sistemi radio radio Prerequisiti: calcolo calcolo delle delle probabilità o sistemi sistemi multicomponenti + Architettura di di Internet o Reti Reti 1 4

5 Scenario di riferimento ad oggi Ad Hoc access (BT-IEEE ) 4G Scenario WIMAX INTERNET Ambient intelligence Hotspot AP PLMN MAR : Mobility Aware Router : Mobile Client : Mobile Client issuing handover MAR i Session Handover MAR j : MAR coverage area : wireless cell Wireless Access Point MC IDx MAR i Coverage Area Wireless cell MAR 3 j Coverage Area 5

6 Scenario di riferimento ad oggi-ra Ad Hoc access (BT-IEEE ) Hotspot AP 4G Scenario -Introduzione alle reti radiomobili WIMAX -sistemi cellulari di seconda e terza INTERNET generazione -Come pianificare un Ambient sistema cellulare (valutazione delle prestazioni) intelligence -Reti ad hoc PLMN MAR : Mobility Aware Router : Mobile Client : Mobile Client issuing handover MAR i Session Handover MAR j : MAR coverage area : wireless cell Wireless Access Point MC IDx MAR i Coverage Area Wireless cell MAR 3 j Coverage Area 6

7 Scenario di riferimento ad oggi-sviluppo e ottimizzazione di sistemi wireless Ad Hoc access (BT-IEEE ) 4G Scenario WIMAX INTERNET Ambient intelligence MAR Hotspot AP i Coverage Area MAR : Mobility Aware Router : Mobile Client -Tecnologie emergenti: personal area networks, : Mobile Client issuing handover Session Handover MAR i MAR j -Gestione di reti wireless eterogenee Wireless Wireless cell PLMN WiFi e Mesh networks, WIMAX,reti di sensori : MAR coverage area : wireless cell Access Point -Tecniche MC IDx di ottimizzazione -Simulazione di rete e sviluppo di protocolli di MAR Coverage Area j 3 rete su dispositivi embedded (ambient intelligence) 7

8 Programma e materiale didattico Reti Avanzate Programma del corso Introduzione alle reti radio mobili Testo: P.M.Shankar Introduction to Wireless Systems, Wiley 2002, cap. 2 e 4 Sistemi cellulari: GSM (cenni a GPRS/UMTS) Testo di consultazione: Bertazioli, Favalli GSM-GPRS seconda edizione, Hoepli informatica 2002, cap Valutazione delle prestazioni delle reti Su appunti del corso tenuto dal docente Prof. Francesco Lo Presti Universita di Roma Tor Vergata 8

9 Programma e materiale didattico Programma del corso Reti Ad Hoc Testo: articoli forniti dal docente e disponibili sul web/scaricabili dalle digital libraries a cui La Sapienza e abbonata 9

10 Programma e materiale didattico Sviluppo e ottimizzazione di sistemi wireless Programma del corso Ambient Intelligence: Reti di sensori. Reti di sensori terrestri e sottomarine Personal Area Networks (Bluetooth, IEEE x, Wimedia) Ottimizzazione di reti wireless WiMax (seminari Dott. Vitaletti) Gestione reti wireless eterogenee WiFi e Mesh networks (Dott.ssa Tinnirello) TCP in reti wireless (Dott. Lo Presti, Dott.ssa Gaia Maselli) Simulazione e implementazione in dispositivi embedded (in laboratorio, Dott. Vitaletti, Dott. Mastrogiovanni) Testo: articoli forniti dal docente, lucidi del docente 10

11 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) fortemente consigliato seguire Informazioni aggiornate saranno disponibili sul sito web. Consultatelo frequentemente Mailing list del corso fatemi avere i vostri indirizzi 11

12 Modalità d esame Modalità d esame standard (RA) Scritto (con domande di sbarramento) + progetto di valutazione delle prestazioni Tre (?) esoneri (sulle varie parti del programma) Modalità d esame Sviluppo e ottimizzazione sistemi wireless. Tesina (se preferite orale). 12

13 Calendario delle lezioni tentativo (1/2) Reti Avanzate Introduzione alle reti radiomobili (1 e 2 settimana) Valutazione delle prestazioni (2 lezioni a settimana dalla seconda settimana di ottobre a fine ottobre) Sistemi cellulari di seconda e terza generazione (3 e 4 settimana di ottobre) reti ad hoc 1 di novembre. 13

14 Calendario delle lezioni tentativo (2/2) Sviluppo e ottimizzazione di sistemi wireless (1 settimana comincia il 13 novembre) 1 e 2 settimana di novembre (dopo l interruzione) reti di sensori, Wimax, Hiperlan A fine ottobre/inizio novembre recupero il lunedì PAN 3 settimana WiFi e Mesh networks 4 settimana TCP in wireless o in alternativa gestione di reti wireless eterogenee 5 e 6 settimana simulazione e implementazione su dispositivi embedded (ore anche in laboratorio per provare quello che avrete visto a lezione) 14

15 Una semplice statistica Quanti di voi sono iscritti alla laurea specialistica? Quanti alla laurea quinquennale quarto anno quinto anno Quanti alla laurea triennale? In tutto Quanti di voi devono ancora superare esami propedeutici al corso? Quanti di voi vengono da un diverso corso di laurea/da un altra università? 15

16 Status del corso Dalla valutazione dell anno scorso gli studenti avevano richiesto di sdoppiare il corso In modo da includere argomenti interessanti su reti radiomobili (WIMAX/WIFI + ancora piu di ricerca) ed in modo da rednere piu gestibile il corso proposto al CCL ma per il questo anno non sono stati attivati nuovi corsi Possibile solo aprire una attività complementare (sviluppo e ottimizzazione dei sistemi wireless) Dal prossimo anno RA dovrebbe essere sdoppiato in due corsi (con il programma di RA e Sviluppo e ottimizzazione dei sistemi wireless ) 16

17 UniRM 17

18 Università di Roma La Sapienza Corso di Laurea Specialistica in Informatica Introduzione alle Reti Radiomobili Scenario di riferimento Diversi modelli di reti radio mobili e breve storia delle reti radiomobili Caratteristiche delle reti radiomobili Errori nella trasmissione Risorse (banda/energia) limitate Medium Access Control Gestione della mobilità Reti Avanzate

19 Reti 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 19

20 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) Risorse 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 20

21 Architettura di una rete radio (rete cellulare) rete di trasporto wired rete d accesso wireless 21

22 Modelli di Reti Wireless 1) Reti con punto di accesso fisso (cellulari) Rete fissa Solo collegamenti terminale mobile punto di accesso fisso 22

23 Reti Wireless 2) Reti wireless ad-hoc (Wireless LAN) Anche collegamenti mobile- mobile nella modalità multi-hop i mobile hanno funzionalità di inoltro dei pacchetti 23

24 Scenario di riferimento ad oggi Ad Hoc access (BT-IEEE ) 4G Scenario WIMAX INTERNET Ambient intelligence Hotspot AP PLMN MAR : Mobility Aware Router : Mobile Client : Mobile Client issuing handover MAR i Session Handover MAR j : MAR coverage area : wireless cell Wireless Access Point MC IDx MAR i Coverage Area Wireless cell MAR 3 j Coverage Area 24

25 Penetrazione dell accesso wireless e dell accesso a Internet Telefoni cellulari: circa 2 miliardi Connessione a Internet: circa 1 miliardo di persone Wireless Internet No. America 70% 70% Europe 75% 40% Asia 18% 9% WORLDWIDE 30% 15% Riferimenti: a) GSM Association b) CDMA Development Group c) Internetworldstats.com Da: Keynote speech Dr. Andrew Viterbi, ACM MobiCom

26 Organizzazione della prima parte del corso Partiamo dai sistemi cellulari Capendo come le caratteristiche dei sistemi radiomobili richiedano di disegnare protocolli che tengano conto dell alta probabilita d errore, del fatto che il mezzo sia condiviso etc. Vedremo poi come l impatto delle caratteristiche delle reti radio impongano ulteriori vincoli e richiedano soluzioni diverse quando si vuole sviluppare un sistema per reti ad hoc 26

27 27

28 Cenni storici: 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. 28

29 Cenni storici: Prima Generazione (1G) AMPS: Advanced Mobile Phone Service standard U.S.A. (EIA-553); banda intorno agli 800 MHz, 30KHz per canale, 45KHz separazione downlik/uplink diffusione: Americhe, Oriente TACS: Total Access Communications System standard sviluppato nel Regno Unito; banda intorno ai 900 MHz, è un adattamento dello standard AMPS diffusione: Europa (Italia) NMT: Northern Mobile Telephone System standard scandinavo, indipendente da AMPS e TACS; bande intorno ai 450 e ai 900 MHz; diffusione: Europa del Nord 29

30 Cenni storici: Prima Generazione (1G) AMPS: Advanced Mobile Phone Service standard U.S.A. (EIA-553); banda intorno agli 800 MHz, 30KHz per canale, 45KHz separazione downlik/uplink Uplink: trasmissione da terminale diffusione: Americhe, mobile Oriente a base station Downlink: trasmissione da base standard sviluppato station nel a Regno terminale Unito; mobile banda intorno TACS: Total Access Communications System ai 900 MHz, è un adattamento dello standard AMPS diffusione: Europa (Italia) NMT: Northern Mobile Telephone System standard scandinavo, indipendente da AMPS e TACS; bande intorno ai 450 e ai 900 MHz; diffusione: Europa del Nord 30

31 Cenni storici: Verso la Seconda Generazione Sistemi analogici: bassa capacità scarsa qualità del servizio numero di servizi limitato alti costi delle apparecchiature problemi di interoperabilità tra sistemi diversi Sistemi digitali (2G-fine anni 80) Integrazioni di servizi diversi Maggiore robustezza all interferenza Maggiore capacità (codifiche voce efficienti) Sicurezza 31

32 Cenni storici: 1982 Groupe Special Mobile del CEPT (conferenza europea della amministrazioni delle poste e delle comunicazioni) comincia lo sviluppo di un sistema cellulare digitale e pan-europeo 1989 Il gruppo GSM viene trasferito come parte dell ETSI (European Telecommunications Standard Institute) GSM denominato Global System for Mobile communications Vengono creati diversi sottocomitati dell ETSI che si occupano degli aspetti collegati ai servizi, aspetti aspetti radio, di rete, servizi dati, gestione della rete, sicurezza, codifica vocale GSM 1992 primi sistemi GSM (94 primi servizi dati) 32

33 Cenni storici: Seconda Generazione (2G/2G+) Nel 92 è stato introdotto GSM in Europa con un successo ed una diffusione enorme (60% del mercato globale) D-AMPS e United States Digital Cellular system IS-95 (CDMA) sono introdotte in USA nella metà degli anni 90 con grande successo (meno del GSM) Fine anni 90 standardizzazione di reti con accesso a pacchetto (EDGE, GPRS-General Packet Radio Service, HCSCD) Anni 2000 UMTS (Universal Mobile Telecommunication Systems)e CDMA2000 (3G) 3GPP Third Generation Partnership Project (derivato da uno dei comitati tecnici del GSM) 33

34 Cenni storici: Digital Cellular Systems World-wide GSM D-AMPS Japan Digital PCS 1900 DCS 1800 CDMA Dati da 34

35 Servizi di comunicazione Una rete cellulare di solito offre due tipi di servizi di comunicazione servizio voce servizio dati Storicamente le reti cellulari sono nate per il servizio voce e da questo punto di vista possono essere semplicemente pensate come una evoluzione delle reti telefoniche fisse Il servizio voce è offerto (attualmente) in modalità a commutazione di circuito Esistono servizi dati sia a commutazione di circuito che a commutazione di pacchetto (ad. es. GPRS) 35

36 Requisiti 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 36

37 Problemi e limitazioni Scarsità delle risorse radio (numero e qualità) Gestione della mobilità degli utenti Estrema variabilità del traffico (difficile predizione) Consumo energetico.. 37

38 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 Station Mobile Station Cella=Area di copertura di una BS Cella IDEA= RIUSO delle frequenze 38

39 Requisiti 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 39

40 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è c è di di diverso in in una rete cellulare che offre un un servizio di di telefonia (mobile)? Rete d accesso canale wireless Mezzo radio ha banda limitata ed è condiviso tra più utenti mezzo trasmissivo condiviso e non dedicato Centale telefonica Doppino telefonico Canale Radio 40

41 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è c è di di diverso in in una rete cellulare che offre un un servizio di di telefonia (mobile)? Codifica della voce per risparmiare risorse radio si abbandona il vecchio PCM a 64 Kbit/s e si passa a codificatori a bassa velocità Codifica di sorgente 13 kb/s (GSM) Mezzo radio ha banda limitata ed è condiviso tra più utenti 41

42 Copertura Cellulare La copertura del territorio è ottenuta con stazioni radio base Mezzo (base radio station ha banda BS) che offrono accesso radio ai terminali limitata mobili ed (Mobile è condiviso Station MS) nella loro area di servizio, detta CELLA tra più utenti Base Station Mobile Station Cella=Area di copertura di una BS Cella IDEA= RIUSO delle frequenze 42

43 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è c è di di diverso in in una rete cellulare che offre un un servizio di di telefonia (mobile)? Scarsita delle risorse (mezzo condiviso) Riuso delle risorse (esempio: concetto di riuso delle frequenze) Ammissione delle chiamate solo se sufficienti risorse Le stesse frequenze possono essere riutilizzate se le trasmissioni non interferiscono 43

44 Rete 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 Mobile Station Accesso Radio 44

45 Rete 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 Un messaggio inviato può essere ascoltato da tutti i dispositivi nel raggio trasmissivo del sender Problematiche Mobile di sicurezza: -autenticazione Station (l utente che accede Accesso alradio servizio ha il diritto di farlo?) -cifratura (per proteggere la confidenzialità dei dati trasmessi) 45

46 Rete 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 Mobile Station Come si allocano le risorse per una Accesso Radio chiamata? Come si decide quale chiamata deve essere accettata e quale rifiutata nel caso di risorse radio limitate? 46

47 Rete 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 Mobile Station Come faccio a sapere dove si trova un utente (e quindi come istradare una chiamata verso di lui?) Accesso Radio Come faccio a mantenere attiva una chiamata nel caso in cui il movimento di un utente in Conversazione gli faccia cambiare cella? 47

48 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è c è di di diverso in in una rete cellulare che offre un un servizio di di telefonia (mobile)? Mobilità degli utenti mobilità in stand-by mobilità in conversazione cambio del punto di accesso alla rete 48

49 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è c è di di diverso in in una rete cellulare che offre un un servizio di di telefonia (mobile)? Errori frequenti nella trasmissione Attenuazione, riflessione, rifrazione,diffrazione del segnale multipath fading pacchetto ricevuto Interferenze vedremo piu avanti Canale Radio pacchetto trasmesso 49

50 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è c è di di diverso in in una rete cellulare che offre un un servizio di 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!! 50

51 Reti Wireless 2) Reti wireless ad-hoc (Wireless LAN) Anche collegamenti mobile- mobile nella modalità multi-hop i mobile hanno funzionalità di inoltro dei pacchetti 51

52 Problematiche nelle reti ad hoc Il mezzo radio è condiviso necessità di protocolli di medium access control 52

53 Problematiche nelle reti ad hoc-mac A B D Hidden terminal Se A e B trasmettono un pacchetto si verifica una collisione in D di cui né A né B possono accorgersi direttamente 53

54 Problematiche nelle reti ad hoc A B 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) 54

55 Problematiche nelle reti ad hoc A B Problematica unica di queste reti: Come si istradano i pacchetti da A a B (routing?) 55

56 Problematiche nelle reti ad hoc A B Problematica unica di queste reti: Come si istradano i pacchetti da A a B (routing?) Come gestiamo il route maintenance nel caso Di mobilità (anche elevata dei nodi?) 56

57 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 Come istradare i pacchetti minimizzando il consumo energetico, tenendo conto delle diverse energie residue dei nodi 57

58 Problematiche nelle reti ad hoc Non sorprende che il comitato di standardizzazione delle reti ad hoc. Il gruppo MANET dell IETF si occupi essenzialemente di routing! 58

59 Alcune definizioni... Control/data channel Simplex Systems/Duplex Systems (half and full duplex) Handoff 59

60 FINE PRIMA LEZIONE 60

61 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è c è di di diverso in in una rete cellulare che offre un un servizio di di telefonia (mobile)? Analizziamo adesso brevemente ciascuno di di questi aspetti Quelli più legati alle problematiche di di rete saranno poi ripresi in in seguito canale wireless mezzo condiviso gestione della mobilità codifica della voce consumo energetico 61

62 Canale Wireless risponderemo alla seguente domanda: -quali sono le ragioni per la presenza di errori nella trasmissione? 62

63 Canale wireless Rispetto 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) 63

64 Problemi nella propagazione del segnale Line of sight Reflection Shadowing 64

65 Problemi nella propagazione del segnale Diffraction When the surface encountered has sharp edges bending the wave BS MS Scattering When the wave encounters objects smaller than the wavelength (vegetation, clouds, street signs) BS 65

66 Attenuazione del segnale Signal power Distance BS MS 66

67 Slow fading fast fading Signal power Fast fading Short term fading Distance BS MS (m) slow fading Long term fading Distance BS MS (km) 67

68 The radio spectrum 68

69 The radio spectrum 69

70 Attenuation phenomena for millimeter waves (EHF) 70

71 Spectrum allocation 71

72 Attenuazione del segnale Signal power Vediamo di comprendere quale la legge che consente di esprimere l attenuazione del segnale in funzione della distanza Distance BS MS 72

73 Canale wireless: attenuazione da distanza Una sorgente puntiforme (isotropic radiator) che trasmetta un segnale di potenza P T lo irradia in modo uniforme in tutte le direzioni distanza d sorgente area La densità di potenza sulla superficie di una sfera centrata nella sorgente puntiforme e con raggio d è data da: F = PT 4πd 2 [W/m 2 ] 73

74 Esempi di antenne Graphical representation of radiation properties of an antenna Depicted as two-dimensional cross section y y z x z x simple dipole side view (xy-plane) side view (yz-plane) top view (xz-plane) y y z x z x directed antenna side view (xy-plane) side view (yz-plane) top view (xz-plane) 74

75 Antenna Gain Isotropic antenna (idealized) Radiates power equally in all directions (3D) Real 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 mean power density at a distance d power density at a distance d in the direction of maximum radiation Gain G = 2 P / πd Directivit y D = T 4 Directional antennas point energy in a particular direction Better received signal strength Less interference to other receivers More complex antennas 75

76 Canale wireless : attenuazione da distanza Indicando con g T il guadagno massimo abbiamo che la densità di potenza in tale direzione risulta: F = PT g 4πd T 2 [W/m Il prodotto P T g T è chiamato EIRP (Effective Isotropically Radiated Power) e rappresenta la potenza necessaria con una sorgente isotropica per raggiungere la stessa densità di una antenna direttiva 2 ] 76

77 Canale wireless : attenuazione da distanza La potenza al ricevitore può essere espressa come: P R = P T g T g R λ 4πd 2 1 L dove P T rappresenta la potenza irradiata dal trasmettitore, g T e g R 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. 77

78 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 2 78

79 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) = -20 dbm S/N ratio = -3dB S = circa 1/2 N Properties & conversions dbm = 10 log 10 (P (W) / 1 mw) = P (dbw) + 30 dbm (P1 * P2) (dbm) = P1 (dbm) + P2 (dbw) P1 * P2 (dbm) = 10 log 10 (P1*P2 (W)/0.001) = 10log 10 (P1/0.001) + 10 log 10 P2 = P1 (dbm) + P2 (dbw) 79

80 Example normalized frequency [MHz] speed of light [Km lambda (m) gain Tx 1 Gain Rx 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 received power (dbm) distance (m) 80

81 Computation with db Se la potenza ricevuta è inferiore ad una certa soglia il segnale non può essere correttamente ricevuto 81

82 82 rappresenta l attenuazione da spazio libero. Tale 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.) Canale wireless : attenuazione da distanza Canale wireless : attenuazione da distanza La 2 4 = d PL π λ ,, 1 4 = = = d P P L g g se L d g g P P P P R T R T R T T T R T π λ π λ

83 Canale wireless : attenuazione da distanza La PL = λ 4πd rappresenta l attenuazione da spazio libero. Tale 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.) 2 83

84 Path loss (propagation loss) in db Indicata anche con L free nel seguito 84

85 Free space loss 85

86 86 Alcune Alcune elaborazioni elaborazioni sulla sulla formula formula dell attenuazione dell attenuazione 2 4 = d g g P P R T T R π λ P R (d) = P R (d ref ) (d ref /d) 2 Se si conosce il valore ad una distanza di riferimento P R (d) dbm= P R (d ref )dbm +20 log 10 (d ref /d) L=1 2 Re 2 Re 2 Re ) ( ) ( = = d d L d g g P L d g g P d P d P f f R T T R T T f R R π λ π λ

87 Alcune elaborazioni sulla formula dell attenuazione P R = P T g T g R λ 4πd 2 L=1 Se si conosce il valore ad una distanza di riferimento P R (d) = P R (d ref ) (d ref /d) 2 P R (d) dbm= P R (d ref )dbm +20 log 10 (d ref /d) Loss sperimentata da un segnale tx sulla frequenza f a distanza d nella condizione di un terreno piatto senza ostacoli L free = -20 log c/f 10 ( db 4πd) L free = log 10 (f)+20log 10 (d) 87

88 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 h 2...il rapporto tra potenza ricevuta e potenza trasmessa assume la forma: P P R T = g R g T h h d

89 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 2 ) 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 2 (spazio libero) e 5 (forte attenuazione ambiente urbano): P R = P T g T g R 2 λ 4π 1 d η 89

90 Example scenarios: LOS path non necessarily existing (and unique) Example: city with large buildings; No LINE OF SIGHT; Diffraction; reflection diffraction reflection 90

91 Example scenarios LINE OF SIGHT + Diffraction, reflection, scattering LOS 91

92 Extended formula 92

93 Una parentesi.. Path loss: Modelli empirici Consider specific scenarios Urban area (large-medium-small city), rural area Models generated by combining most likely 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 VERY complex due to many specific correction factors! 93

94 Okumura-Hata model 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; Rural 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 94

95 L path ( db) + Okumura-Hata Hata: : urban area = log ( log h ) log 10 h bs 10 a bs ( h ) ms 10 log a(h ms ) = correction factor to differentiate large from medium-small cities; depends on MS antenna height large cities : a small- med cities : f 10 ( ) [ ( )] 2 hms = 3.2 log hms 4.97 f 400MHz a( h ) = [ 1.1log f 0.7] h [ 1.56 log f 0.8] ms 10 + d + ms 10 Very small correction difference between large and small cities (about 1 db) 95

96 L path + Okumura-Hata Hata: : urban area ( db) = log ( log h ) log 10 h bs 10 a bs ( h ) 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 : L free = log 10 (f)+20log 10 (d) ( ) [ ( )] 2 hms = 3.2 log hms 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) 96

97 Okumura-Hata Hata: : suburban & rural areas Start from path loss L p computed for small and medium cities suburban : rural : L L path path ( db) = ( db) = L L p p 2 log log f [ ] 2 f log f

98 Okumura-Hata: examples path loss (db) distance (km) F=900MHz, h bs =80m, h ms =3m large cities small cities suburbs rural area 98

99 Slow fading fast fading Signal power Fast fading Distance BS MS (m) slow fading Distance BS MS (km) 99

100 Canale wireless : fading multipath 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 (trasparenti), 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). 100

101 Canale wireless : fading multipath Le repliche del segnale che giungono dai diversi cammini si ricombinano al ricevitore Il risultato della ricombinazione dipende: numero delle repliche fasi relative la potenza del segnale differisce ampiezze frequenza from place to place from time to time! 101

102 Canale wireless : fading multipath 1,5 1 0,5 0-0, s(t) s(t+t) s(t)+s(t+t) Il segnala risultante può essere attenuato -1 T=4/5π -1,5 2,5 2 1,5 1 s(t) s(t+t) s(t)+s(t+t) O addirittura amplificato 0,5 0-0,5-1 -1, T= π /6-2 -2,5 102

103 Slow fading fast fading Signal power Se c e una componente LOS Fast fading: Rayleight or Rician distributed Distance BS MS (m) slow fading: lognormal distributed Distance BS MS (km) 103

104 Rayleight fading 104

105 Rayleight fading 105

106 Rayleight fading 106

107 Considerazioni sul fading 107

108 Canale wireless : fading multipath 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) 108

109 Esempio (prossima slide ) 109

110 Esempio Possibilità di interferenza intersimbolica!! 110

111 Impulse response 111

112 Canale wireless : fading multipath La rilevanza del delay spread può essere quantificata calcolando il suo valore quadratico medio (RMS Delay Spread): con τ d n 1 τ = τ n RMS i= 1 = n ( τ P ) i= 1 i P i i n i 1 P = i i= 1 ( 2 ) 2 P τ i i d τ RMS RMS delay spread τ i ritardo del path i P i potenza ricevuta path i n numero di path 112

113 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 113

114 FINE SECONDA LEZIONE 114

115 Accesso Radio Condiviso 115

116 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) 116

117 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 117

118 Accesso radio condiviso: Multiplazione La stazione trasmittente coinvolta è unica canale 1 canale 3 canale 2 Problema tipico della tratta downlink (forward link) di di sistemi cellulari (dalla stazione base ai ai terminali d utente) 118

119 Accesso radio condiviso: Accesso Multiplo Tecnica 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) canale 1 canale 2 canale 3 Problema tipico della tratta uplink (reverse link) di di sistemi cellulari (dai terminali d utente alle stazioni base) Necessita di protocolli di MAC (esempio:fdma/tdma) Nota che è necessaria anche una tecnica per la divisione tra canali uplink e canali downlink (tecnica di duplexing) vedi vedi corso corso di di Reti Reti 1 119

120 Accesso radio condiviso: Multiplazione/Accesso Multiplo Nodo 1 Nodo 2 Multiplazione MPX DMPX Accesso Multiplo Nodo 1 Nodo 2 Nodo 3 Nodo 4 AM AM AM AM Canale broadcast Ci occuperemo in seguito in dettaglio delle tecniche di accesso multiplo e multiplazione 120

121 Accesso radio condiviso: Riuso di frequenze L accesso multiplo in realtà è anche alla base della divisione della risorsa radio 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! 121

122 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 far ricorso ad alcuni elementi di di teoria del traffico 122

123 Teoria del traffico: il traffico istantaneo Il traffico istantaneo in t è il numero di chiamate (messaggi, pacchetti, ) a(t) in corso al tempo t T a(t) t a(t)=2 t vedi t vedi parte parte del del corso corso su su valutazione delle delle prestazioni 123

124 Teoria del traffico: Risultati sul traffico Il traffico medio in T è A(T) = 1/T T a(t) dt a(t) X 2 X 1 X 3 T t Risulta T a(t) dt = Σ i X i in T 124

125 Teoria del traffico: Risultati sul traffico A(T) = a(t) dt Σ i X T i = T n n T Traffico medio in T X λ frequenza media dell arrivo delle chiamate (call/s) X durata media dei messaggi (s) λ A(T) = λ(τ) X(T) 125

126 Teoria del traffico: Risultati sul traffico Nel caso in cui le trasmissioni non possono sovrapporsi X 1 X 2 t A(T) = a(t) dt T = T Σ i X i T è la frazione di tempo in cui le trasmissioni sono attive In realtà il traffico istantaneo a(t) è un processo casuale 126

127 Teoria del traffico: Il Traffico In condizioni di stazionarietà le medie non dipendono da T E[A(T)] = A A = λ X A non ha dimensione Il traffico si misura in Erlang 127

128 Teoria del traffico: Efficienza Il traffico massimo smaltibile è un parametro importante Nel caso di singoli canali il massimo traffico smaltibile (da 0 a 1), max throughput, riflette l efficienza con cui i protocolli usano il canale 128

129 Teoria del traffico: Il processo di Poisson E il processo casuale più semplice che descrive l occorrenza di punti (es. arrivo di chiamate) casuali sull asse temporale descrizione: N(t,t+τ) numero di punti nell intervallo [t,t+τ] 0 N(0,t) t N(t,t+τ) τ 129

130 Teoria del traffico: Il processo di Poisson Teorema 1 La probabilità che il numero di punti di Poisson N(t,t+τ) in un intervallo temporale fra t e t+τ è pari a: P[ N ( t, t λτ ( ) + τ) = k] = e k! k λτ 130

131 Teoria del traffico: Il processo di Poisson Teorema 2 Gli intervalli T tra punti di Poisson sono variabili casuali indipendenti con distribuzione esponenziale negativa p ( t) T = λte λτ Vale anche il contrario: Se un processo puntuale è caratterizzato da intervalli indipendenti identicamente distribuiti e con distribuzione esponenziale negativa, allora il processo è di Poisson Processo di Poisson ben rappresenta arrivo di chiamate voce 131

132 Teoria del traffico: 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 arrivi serventi 132

133 Teoria 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: B( n, A) = n n A n! A k k = 0 k! dove A=λT (in Erlang), λ frequenza media degli arrivi (call/s), T durata media delle chiamate NOTA: vale per qualunque distrib. della durate delle chiamate 133

134 Teoria del traffico: Sistema a pura perdita Il traffico perso (rifiutato) dal sistema è dato da: 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: A s ( 1 B( n, A) ) A ρ = =, 0 ρ 1 n n 134

135 Teoria del traffico: Probabilità di blocco 135

136 Teoria del traffico: Probabilità di blocco Al crescere del carico offerto (Erlang) cresce la probabilità di blocco 136

137 Teoria del traffico: Probabilità di blocco Data una probabilità di blocco desiderata, più alto il numero di canali, più elevato il traffico offerto che può essere sostenuto 137

138 Teoria del traffico: Probabilità di blocco Data una probabilità di blocco desiderata e dato un traffico atteso 138 (target di utenti) quale è il numero minimo di canali necessario?

139 Problematiche di MAC in reti ad hoc Si usano approcci CSMA-like, e.g. CSMA/CA Perche non TDMA like? Perche non CSMA/CD? nodi non ricevono/trasmettono contemporaneamente Hidden terminal Exposed terminal I due nodi che Tx non si ascoltano Il nodo Potrebbe trasmettere 139

140 Distributed Coordination Function Basato sul CSMA/CA Prima di trasmettere un frame una stazione fa il sensing del canale Se il canale e libero per un intervallo superiore al Distributed InterFrame Space (DIFS) la stazione trasmette Altrimenti (canale gia occupato) si aspetta la fine della trasmissione corrente + un intervallo casuale detto backoff timer. Il backoff timer viene decrementato solo quando il canale e idle e viene congelato quando invece il canale e occupato (e riattivato quando il canale e libero per un DIFS) DOMANDA:PERCHE? La stazione trasmette quando il backoff timer raggiunge il valore zero. Il valore del backoff timer e scelto casualmente all interno di una finestra di CW slots. Al primo tentativo CW e settato al valore minimo previsto da standard settato a 16. Come fa la MS trasmettente a sapere se il frame e stato ricevutocon successo (collisioni si possono verificare per trasmissioni simultanee o per effetto del terminale nascosto)? Viene inviato dal ricevente un ACK esplicito alla fine della corretta ricezione del frame, dopo aver atteso per un tempo pari allo Short InterFrame Space (SIFS), SIFS<DIFS Nel caso di collisione si aspetta un tempo random e si prova a ritrasmettere backoff esponenziale (CW viene raddoppiata ad ogni ritrasmissione fino ad un massimo di 1024 slots) 140

141 Distributed Coordination Function 141

142 Effetto dell RTS e CTS RTS CTS 142

143 Distributed Coordination Function Virtual carrier sensing 143

144 Consumo energetico 144

145 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 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...). Tipicamente consumo dovuto all interfaccia radio una delle componenti piu significative. 145

146 Consumo energetico dell interfaccia radio Il transceiver puo essere in uno di questi stati tx Awake and transmitting rx idle Awake and receiving Awake, neither transmitting nor receiving asleep 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(Rx)<=E(Tx)=2E(Rx); E(idle) un po piu bassa E(rx); E(asleep) MOLTO piu bassa (e.g. 1/100) 146

147 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 di passare da uno stato all altro) MANTENENDO 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 Trasmissione di informazione 147

148 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 dell header 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 148

149 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... Qualche informazione in piu sulle caratteristiche energetiche dell interfaccia radio per motivare queste affermazioni

150 Energy in Radio: the Deeper Story. Incoming information Tx: Sender Channel Rx: Receiver Outgoing information Tx Eelec Transmit electronics ERF Power amplifier Rx E elec Receive electronics Wireless communication subsystem consists of three components with substantially different characteristics Their relative importance depends on the transmission range of the radio Da Mobicom 2002 tutorial M. Srivastava, D. Estrin 150

151 GSM Examples Nokia C021 Wireless LAN nj/bit nj/bit nj/bit Medusa Sensor Node (UCLA) E RF Tx E elec Rx E elec ERF Tx E elec Rx E elec Tx E elec The RF energy increases with transmission range Rx E elec The electronics energy for transmit and receive are typically comparable E RF ~ 1 km ~ 50 m ~ 10 m Da Mobicom 2002 tutorial M. Srivastava, D. Estrin 151

152 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... In quali casi convengono queste tecniche?? Conviene istradare su hop corti in reti che usano tecnologie con elevato raggio trasmissivo? E se le reti hanno un raggio tramsissivo molto corto? 152

153 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 Trade-off: latency/energy. Asleep time lunghi Basso consumo energetico Attesa lunga prima di poter comunicare con il nodo 153

154 Protocolli a basso consumo energetico per l interfaccia radio MAC:collisioni = sprechi energetici Data link: FEC/ARQ? Routing: istradamento a basso consumo energetico... Necessita di tener conto del consumo energetico in tutti gli strati protocollari 154

155 FINE TERZA LEZIONE 155

156 Allocazione delle frequenze: organizzazione a celle 156

157 Coverage for a terrestrial zone Signal OK if P rx > -X dbm P rx = c P tx d -4 greater P tx greater d BS d 1 Base Station N=12 channels (e.g. 1 channel = 1 frequency) N=12 simultaneous calls Covering a large geographical area NOT possible 157

158 Cellular coverage target: cover the same area with a larger number of BSs 19 Base Station 12 frequencies 4 frequencies/cell Worst case: 4 calls (all users in same cell) Best case: 76 calls (4 users per cell, 19 cells) Average case >> 12 Low transmit power Key advantages: Increased capacity (freq. reuse) Decreased tx power 158

159 Cellular coverage (microcells) many BS Very low power!! Unlimited capacity!! Usage of same spectrum (12 frequencies) (4 freq/cell) Disadvantage: mobility management additional infrastructure costs 159

160 Cellular system architecture 1 BS per cell Cell: Portion of territory covered by one radio station One or more carriers (frequencies; channels) per cell Mobile users fullduplex connected with BS 1 MSC controls many BSs f4 f4 f5 f5 f3 f3 f1 f1 f6 Wired network MSC 1 MSC 2 f6 f2 f2 f7 f7 f4 f4 f5 f5 f3 f3 f1 f1 f6 f6 f2 f2 f7 f7 MSC connected to PSTN BS MSC PSTN = Base Station = Mobile Switching Centre = Public Switching Telephone Network 160

161 Increased via frequency reuse Cellular capacity Frequency reuse depends on interference need to sufficiently separate cells reuse pattern = cluster size (7 4 3): discussed later Cellular system capacity: depends on overall number of frequencies Larger spectrum occupation frequency reuse pattern Cell size Smaller cell (cell microcell picocell) = greater capacity Smaller cell = lower transmission power Smaller cell = increased handover management burden 161

162 hexagonal cells A B A D B C B C B A D A D A C B C B C D A D A D B C B C A D Hexagon: Good approximation for circle Ideal coverage pattern no holes no cell superposition Example case: Reuse pattern = 4 162

163 Cells in real world Shaped by terrain, shadowing, etc Cell border: local threshold, beyond which neighboring BS signal is received stronger than current one 163

164 PART 2 Cellular Coverage Concepts (piu in dettaglio sull organizzazione di un sistema cellulare) Lecture 2.2 Clusters and CCI

165 Reuse distance: Key concept In the real world depends on Territorial patterns (hills, etc) Transmitted power and other propagation issues such as antenna directivity, height of transmission antenna, etc Simplified hexagonal cells model: reuse distance depends on reuse pattern (cluster size) Possible clusters: 3,4,7,9,12,13,16,19, Reuse patterns K = D Cluster: K = D R 2 165

166 Dim. dei cluster di celle D K=3 166

167 Dimensione dei cluster A B A D B C B C B A D A D A C B C B C D A D A D B C B C A D K=4 167

168 Dimensione dei cluster D K=7 168

169 General formula Valid for hexagonal geometry D = reuse distance R = cell radius K=cluster size Reuse distance D = R 3K q = D/R =frequency reuse factor K q=d/r 3 3,00 4 3,46 7 4,58 9 5, , ,24 169

170 v Proof Distance between two cell centers: (u 1,v 1 ) (u 2,v 2 ) (3,2) u D = 2 o [ ] [ ] 2 o ( u2 u1) cos 30 + ( v2 v1 ) + ( u2 u1)sin 30 Simplifies to: (1,1) D = u u1) + ( v2 v1 ) + ( u2 u1)( v Distance of cell (i,j) from (0,0): ( 2 2 v1 2 2 D = i + j + ij 3R ) 2 2 D Cluster: R = i + j + ij easy to see that K = DR = i + j + ij hence: D = R 3K 170

171 v Proof Distance between two cell centers: (u 1,v 1 ) (u 2,v 2 ) (3,2) u D = 2 o [ ] [ ] 2 o ( u2 u1) cos 30 + ( v2 v1 ) + ( u2 u1)sin 30 Simplifies to: (1,1) D = u u1) + ( v2 v1 ) + ( u2 u1)( v Distance of cell (i,j) from (0,0): ( 2 2 v1 2 2 D = i + j + ij 3R ) 2 2 D Cluster: R = i + j + ij easy to see that K = DR = i + j + ij hence: D = R 3K 171

172 v Proof Distance between two cell centers: (u 1,v 1 ) (u 2,v 2 ) (3,2) u D = 2 o [ ] [ ] 2 o ( u2 u1) cos 30 + ( v2 v1 ) + ( u2 u1)sin 30 Simplifies to: (1,1) D = u u1) + ( v2 v1 ) + ( u2 u1)( v Distance of cell (i,j) from (0,0): ( 2 2 v1 2 2 D = i + j + ij 3R ) 2 2 D Cluster: R = i + j + ij easy to see that K = DR = i + j + ij hence: D = R 3K 172

173 v Proof Distance between two cell centers: (u 1,v 1 ) (u 2,v 2 ) (3,2) u D = 2 o [ ] [ ] 2 o ( u2 u1) cos 30 + ( v2 v1 ) + ( u2 u1)sin 30 Simplifies to: (1,1) D = u u1) + ( v2 v1 ) + ( u2 u1)( v Distance of cell (i,j) from (0,0): ( 2 2 v1 2 2 D = i + j + ij 3R ) 2 2 D Cluster: R = i + j + ij easy to see that K = DR = i + j + ij hence: D = R 3K 173

174 v Proof Distance between two cell centers: (u 1,v 1 ) (u 2,v 2 ) D = o 2 o [( u u ) cos 30 ] + [( v v ) + ( u u )sin ] Simplifies to: (3,2) D = 2 2 ( u2 u1) + ( v2 v1 ) + ( u2 u1)( v2 v1 ) u Distance of cell (i,j) from (0,0): (1,1) D = i + j + ij 3R Se R è il raggio di un esagono la metà della distanza tra due 2 2 celle adiacenti è D R = i + j + ij Cluster: easy to see that K Dhence: 2 R 3 = 2 R = i3+ j + ij R = R = R D = R 3K ( ) Quindi la distanza tra due celle adiacenti è 2 volte questa quantità! 174

175 v Proof Distance between two cell centers: (u 1,v 1 ) (u 2,v 2 ) D = o 2 o [( u u ) cos 30 ] + [( v v ) + ( u u )sin ] Simplifies to: (3,2) D = 2 2 ( u2 u1) + ( v2 v1 ) + ( u2 u1)( v2 v1 ) u Distance of cell (i,j) from (0,0): (1,1) D = i + j + ij 3R 2 2 D R = i + j + ij Cluster: easy to see that K = DR = i + j + ij hence: D = R 3K 175

176 Proof Se considero una cella che usa un determinato gruppo di frequenze A dato che voglio ricoprire l area con cluster tali che la distanza di riuso e prefissata i centri delle celle intereferenti saranno a distanza D Posso approssimare l area di ciascun cluster con l area di un esagono il cui raggio e dato da D / 3 K=7 D 176

177 Proof L area occupata da un cluster A cluster e quindi data da: 2 3 D Quanti esagoni di area 3 2 ( R) 3 possono stare 2 in un area pari a 3 D 3? Risposta: 3 D 3 2 Acluster 2 3 D K = = = = A 3 2 cella ( R) 3 R = D D 2 D = 3KR 2 = R 3 K K = R 3 3R 2 ( D ) 2 R 177

178 Clusters K=7(i=2,j=1) K=4 (i=2,j=0) 178

179 Possible clusters all integer i,j values i j K=ii+jj+ij q=d/r , , , , , , , , , , , , , , , ,64 Dim.ammissibili dei cluster 1,3,4,7,9,12,13,16, 179

180 Co-Channel Channel Interference C A F B G D E C A A F B G D E E C A F B G D E C A A F B G D E C A F S N S I S N Frequency reuse implies that remote cells interfere with tagged one Co-Channel Interference (CCI) sum of interference from remote cells signal power (S) = noise power (NS) + interfering signal power (I) signal power (S) = interfering signal power (I) S as NS small I 180

181 CCI Computation - assumptions Assumptions N I =6 interfering cells N I =6: first ring interferers only we neglect second-ring interferers Key simplification Signal for MS at distance R Signal from BS interferers at distance D Negligible Noise N S S/N ~ S/I d η propagation law η=4 (in general) Same parameters for all BSs Power P o R D int D D int ~D R Power P o Same P tx, antenna gains, etc 181

182 182 CCI computation CCI computation η η η η η q N R D N D R N D R I S N S I I I N k I cost cost 1 = = = = = = Results depend on ratio q=d/r (q=frequency reuse factor) K R D 3 = By using the assumptions of same cost and same D: Alternative expression: recalling that ( ) ( ) η η η K K N K R R N I S N S I I = = = USAGE: Given an S/I target, cluster size K is obtained N I =6,η=4 ( ) K K I S = =

183 Examples S I S I K target conditions: S/I=9 db η=4 Solution: = 10 = ( 3K ) = η η= 4 K = 8 K 3 = 2 3 S I target conditions: S/I= 18dB η=4.2 Solution: S I log K [ db] = 5η log( 3K ) ( 3K ) = 21 = log 6 = 1.23 K = 7 183

184 S/I computation assuming 6 interferers only (first ring) K q=d/r S/I S/I db 3 3,00 13,5 11,3 4 3,46 24,0 13,8 7 4,58 73,5 18,7 9 5,20 121,5 20,8 12 6,00 216,0 23,3 13 6,24 253,5 24,0 16 6,93 384,0 25,8 19 7,55 541,5 27,3 21 7,94 661,5 28,2 25 8,66 937,5 29,7 184

185 Additional interferers B C B C B A D A D A D B C B C B C B A D A D A D A D B C B C B C B C B D A D A D A D B C B C B C D A D A D A B C B C B case K=4 note that for each cluster there are always N I =6 firstring interferers A B In CCI computation, contribute of additional interferers is marginal 185

186 Multiple Tiers of Interferers approssimazione 186

187 Special case of co-channel channel interference 187

188 188

189 sectorization Directional antennas Cell divided into sectors Each sector uses different frequencies To avoid interference at sector borders PROS: CCI reduction Sector 3 fa, 2L + 1L fa, 3L Sector 2 fa, L + 1L fa, 2L Sector 1 f a, 1L f a, L CONS: Increased handover rate Less effective trunking leads to performnce impairments CELL a 189

190 190 CCI reduction via sectorization CCI reduction via sectorization three sectors case three sectors case C B D E C B D E F G C D E F E F G A E F G C B A F G C B A D F G Inferference from 2 cells, only Instead of 6 cells A A A A = = = db I S db I S I S D R I S omni omni o o η η Conclusion: 3 sectors = 4.77 db improvement With usual approxs (specifically, D int ~D)

191 6 sectors 60 o Directional antennas CCI reduction: 1 interfereer only 6 x S/I in the omni case Improvement: 7.78 db 191

192 6 sectors Cella di riferimento Unica BS che disturba le ricezioni/ trasmissioni verso/dalle MU nella cella di riferimento C A F B G G D E C A F A F B G D E E C A F B G D E C A A F B G D E C A F 192

193 Pianificazione di sistemi cellulari 193

194 Blocking probability: Erlang-B Fundamental formula for telephone networks planning Π block A o =offered traffic in Erlangs = C Ao C! = A C j o j= 0 j! E 1, C ( A ) o blocking probability 100,00% 10,00% 1,00% 0,10% 0,01% Efficient recursive computation available E 1, C ( A ) o = C A + o E A 1, C 1 o E ( Ao ) ( A ) 1, C 1 C=1,2,3,4,5,6, offered load (erlangs) o 194

195 Capacity planning Target: support users with a given Grade Of Service (GOS) GOS expressed in terms of upper-bound for the blocking probability GOS example: subscribers should find a line available in the 99% of the cases, i.e. they should be blocked in no more than 1% of the attempts Given: C channels Offered load A o Target GOS B target C obtained from numerical inversion of B = target, ( ) E A 1 C o 195

196 Channel usage efficiency Offered load (erl) Carried load (erl) A C channels A = A ( 1 B) o c o A o B Blocked traffic efficiency: ρ = A C c = A o ( A ) ( 1 E ) C 1, C o A C o if small blocking Fundamental property: for same GOS, efficiency increases as C grows!! 196

197 example blocking probability 100,0% 10,0% 1,0% A = 40 erl A = 60 erl A = 80 erl A = 100 erl 0,1% capacity C GOS = 1% maximum blocking. Resulting system dimensioning and efficiency: 40 erl C >= erl 80 erl C >= 75 C >= erl C >= 117 ρ = 74.9% ρ = 79.3% ρ = 82.6% ρ = 84.6% 197

198 Trunking Efficiency 198

199 Erlang B calculation - tables ErlangB Online calculator: 199

200 Application to cellular networks Meglio con area dell esagono! 200

201 Other example 201

202 Other example Caso particolare in cui il fatto di avere più celle piccole non porta ad un vantaggio in termini di riuso delle frequenze 202

203 Sectorization and traffic Assume cluster K=7 Omnidirectional antennas: S/I=18.7 db 120 o sectors: S/I=23.4 db 60 o sectors: S/I=26.4 db Sectorization yields to better S/I BUT: the price to pay is a much lower trunking efficiency! With 60 channels/cell, GOS=1%, Omni: 60 channels A o =1x46.95= erl ρ=77.46% 120 o : 60/3=20 channels ρ=59.54% A o =3x12.03= 36.09erl 60 o : 60/6=10 channels ρ=44.15% A o =6x4.46= 26.76erl 203

204 FINE QUARTA LEZIONE 204

205 Gestione della mobilità 205

206 Cellular coverage (microcells) many BS Very low power!! Unlimited capacity!! Usage of same spectrum (12 frequencies) (4 freq/cell) Disadvantage: mobility management additional infrastructure costs 206

207 Gestione della mobilità Nelle reti cellulari gli utenti possono muoversi nell area del sistema e quindi passare da una cella ad un altra Questo ovviamente pone problemi di instradamento dell informazione (o più semplicemente delle chiamate nel caso di servizio voce) Tutte le procedure che la rete mette in atto per consentire agli utenti mobili di essere raggiunti da una comunicazione e di mantenere la comunicazione attiva anche in presenza di cambiamento di cella vanno sotto il nome di gestione della mobilità 207

208 Gestione della mobilità Gli utenti di sistemi cellulari MENTRE SI SPOSTANO possono: chiamare essere chiamati conversare E necessaria una qualche intelligenza che supporti tutto questo (funzionalità di ROAMING). 208

209 Gestione della mobilità Nel caso di servizio a circuito le procedure di gestione della mobilità si differenziano a secondo che l utente che si sposta sia in stato IDLE (nessun circuito attivo) o in stato ACTIVE (in conversazione) ACTIVE: c è un circuito attivo che deve essere reinstradato dopo ogni cambio di cella (Handover) IDLE: l utente deve poter essere localizzato per indirizzargli una chiamata (Location Update, Cell Selection, Cell Reselection) 209

210 Gestione della mobilità: Cell selection Un terminale mobile in idle si aggancia ad una cella sulla base del segnale ricevuto dalla stazione base Su un opportuno canale di controllo comune la stazione radio base trasmette dell informazione di sistema che, tra l altro, specifica il suo identificativo Il terminale mobile scandisce le frequenze radio per decodificare il canale di controllo delle stazioni base della zona Il terminale seleziona la stazione base da cui riceve il segnale più potente Il terminale non smette mai di scandire periodicamente anche le altre frequenze e se trova un segnale più forte da un altra stazione base cambia la selezione 210

211 Gestione della mobilità: Location Update Location Area: entità topologica gerarchicamente superiore alla cella (gruppo di più celle) Un utente IDLE è localizzato dal sistema su base Location Area (e non su base cella) L ultima location area di ogni utente è memorizzata in opportuni database della rete Data Base LA 1 LA 2 211

212 Gestione della mobilità: Location Update Se un utente in stato IDLE passa da una LA ad un altra scatena una procedura di Location Update L informazione sulla LA in cui si trova un utente serve per indirizzare le chiamate Data Base LA 1 LA 2 212

213 Gestione della mobilità: Paging All arrivo di una chiamata per l utente mobile viene consultato il registro Una volta nota la LA viene iniziata una procedura di paging Ogni stazione base della LA invia un messaggio di controllo in broadcast con l identificativo dell utente cercato Alla risposta del teminale mobile la rete conosce la cella e instrada la chiamata reply paging paging Data Base 213

214 QUESITO: Gestione della mobilità: Paging vs. Location Update Quanto grandi conviene fare le Location Area? piccole grandi Cosa spinge in un verso, cosa nell altro? Data Base LA 1 LA 2 214

215 Gestione della mobilità: Handover Procedura con cui un terminale mobile in conversazione cambia la stazione base su cui è attestato Nel network-controlled handoff e mobile assisted handoff (NCHO e MAHO) la procedura è sempre iniziata lato rete, sulla base di misurazioni (potenza del segnale ricevuto, qualità, ecc.) effettuate sia lato rete che lato utente Si richiedono procedure di Handover efficienti e veloci Vedremo nel caso del GSM come le procedure di handover vengono gestite dal punto di vista della segnalazione di rete e del routing del circuito 215

216 Gestione della mobilità: Handover Quando scatenare un Handover? La scelta delle soglie di attivazione della procedura di handover è fattore critico h Handover TH Receiver TH Δt t Se h è troppo piccolo Δt è troppo piccolo e si rischia di perdere la connessione Se h è grande aumenta il numero di richieste di handover e quindi il traffico di segnalazione in rete 216

217 Gestione della mobilità: Handover Quando scatenare un Handover? Esistono diversi metodi 1 - metodo del segnale più forte l handover avviene nel punto A a causa delle fluttuazioni del segnale sono possibili molti rimbalzi (effetto ping-pong) 217

218 Gestione della mobilità: Handover Quando scatenare un Handover? Esistono diversi metodi 2 - metodo del segnale più forte con soglia se il segnale dalla precedente BS è inferiore a una soglia (as. es. T2) e la potenza di un altra BS è più forte; l handover avviene nel punto B 218

219 Gestione della mobilità: Handover Quando scatenare un Handover? Esistono diversi metodi 3 - metodo del segnale più forte con isteresi se la potenza dell altra BS è più forte di un valore h; l handover avviene nel punto C 219

220 Gestione della mobilità: Prestazioni Handover Quando avviene un handover viene rilasciato il canale nella vecchia cella e viene richiesto un canale nella nuova; il canale nella nuova può non essere disponibile Definiamo la probabilità di rifiuto di handover (P drop ) come la probabilità che una richiesta di handover non possa essere soddisfatta e la probabilità di blocco (P block ) come la probabilità di rifiutare una nuova chiamata Nei sistemi che trattano le richieste di handover come le nuove richieste entranti (call setup) P drop =P block In realtà è meglio bloccare una chiamata entrante che perderne una attiva Si può tentare di trattare meglio le richieste di handover 220

221 Gestione della mobilità: Prestazioni Handover Tecnica dei Canali di Guardia Canali di guardia (Guard Channels) Un certo numero di canali viene riservato per le richieste di handover P drop diventa più bassa ma la capacità del sistema risulta inferiore E critico il dimensionamento del sistema che necessita stime accurate sull andamento temporale del traffico (quanti canali riservo alle richieste di handover?) 221

222 Altre possibilita Gestione della mobilità Queuing priority scheme Handoff area: area all interno della quale l MS puo ascoltare entrambe le stazioni base. Se non sono disponibili canali nella nuova BS si continua ad essere interconnessi alla vecchia BS; la richiesta di handover viene bufferizzata alla nuova BS e servita non appena si libera un canale. Subrating scheme Se non ci sono canali disponibili presso la nuova Base Station un canale precedentemente allocato per una chiamata viene diviso in due canali a meta data rate, permettendo ad entrambe le chiamate di andare avanti. 222

223 Roaming. 1. All arrivo a LA l utente deve registrarsi con il nuovo VLR 2. Il nuovo VLR informa l HLR dell utente della sua nuova posizione. L HLR invia in risposta un ack con informazioni quali il profilo dell utente 3. Il nuovo VLR informa l utente della registrazione con successo 4. L HLR invia un messaggio di deregistrazione verso il vecchio VLR VLR HLR: Home location register MSC 2 HLR PSTN 4 VLR: Visiting location register VLR MSC LA 1 3 NY 223

224 Set up di chiamate. Esempi 1. MS telefono fisso tramite l VLR dell MS 1. Telefono fisso MS:tramite il gateway MSC si contatta l HLR e tramite questo il VLR corrente. 2. IL VLR restituisce l info sull MSC da contattare 3. La chiamata viene messa su VLR 1 2 MSC HLR GMSC PSTN 1 2 VLR MSC LA 3 NY 224

225 Gestione della mobilità: Tipologie di Handover Hard Handover (GSM-2G) Presuppone l abbattimento e l instaurazione di un nuovo link radio Soft Handover (UMTS-3G) Sfruttando la macrodiversità l utente è contemporaneamente collegato con più stazioni base 225

226 Gestione della mobilità: Handover Ci occuperemo in seguito dell handover in GMS LETTURA CONSIGLIATA: LETTURA CONSIGLIATA: Trends Trends in in handover handover design design Pollini, Pollini, G.P. G.P. IEEE IEEE Communications Communications Magazine Magazine,, Volume: Volume: Issue: Issue: 3 3,, March March Page(s): Page(s):

227 Codifica della voce 227

228 Codifica della voce: Caratteristiche tempo/frequenza suono vocalizzato: vocale e 228

229 Codifica della voce: Caratteristiche tempo/frequenza suono non vocalizzato: consonante f 229