Università di Roma La Sapienza. Corso di Laurea Specialistica in Informatica. Reti Avanzate

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1 Università di Roma La Sapienza Corso di Laurea Specialistica in Informatica Reti Avanzate Dott.ssa Chiara Petrioli 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 del gruppo reti: (under construction) Web page del corso: (sara aggiornata a mano a mano) Orario di ricevimento: Mercoledì :00 3

4 Scopo del corso Fornirvi alcune conoscenze di base della tecnologia e dei protocolli delle 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; Prerequisiti: calcolo calcolo delle delle probabilità o sistemi sistemi multicomponenti + Architettura di di Internet o Reti Reti 1 4

5 Programma e materiale didattico 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 dell Aquila 5

6 Programma e materiale didattico Programma del corso Bluetooth ( ) Testo: capitoli di libro, articoli Reti Ad Hoc articoli forniti dal docente Ambient Intelligence: Reti di sensori. Testo: articoli forniti dal docente e disponibili sul web/scaricabili dalle digital libraries a cui La Sapienza e abbonata Testo: articoli forniti dal docente In aggiunta: Saranno organizzati dei seminari su questi argomenti 6 collegati al corso, non parte del programma

7 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 7

8 Modalità d esame standard Modalità d esame Scritto (con domande di sbarramento) + (se serve) orale sull intero programma + progetto su valutazione delle prestazioni Tre esoneri (sulle varie parti del programma) + quattro appelli (2 tra giugno/luglio + 1 a settembre + 1 a febbraio) Date d esame (non finali):, 30 giugno, 11 luglio Date orientative degli esoneri: 25 aprile, 9 maggio, 3 giugno Per chi segue: Chi supera molto bene i primi due esoneri potra fare una tesina di approfondimento su uno degli argomenti visti di ricerca (scelta della tesina nell ultimo mese del corso) al posto dell ultimo esonero. Quanti di voi sono interessati a quest ultima modalita d esame? 8

9 Calendario delle Lezioni (1/2) Introduzione alle reti radio mobili Giovedi 17 marzo Mercoledi 23 marzo (in orario di Ing. SW II) Valutazione delle prestazioni (Francesco Lo Presti) Giovedi 31 -venerdi 1 aprile Lunedi 4 aprile (aula alfa ore ) Giovedi 7 aprile, venerdi 8 aprile Lunedi 11 aprile, Giovedi 14 aprile* Introduzione alle reti radio mobili (seconda parte) Venerdi 15 aprile Lunedi 18 aprile Giovedi 21 * Possibile cambiamento di orario 9

10 Calendario delle Lezioni (2/2) Introduzione al GSM Venerdi 22 aprile Giovedi 28, Venerdi 29 Aprile Lunedi 2 maggio Giovedi 5 maggio, Venerdi 6 maggio Reti Ad Hoc (con sorpresa...forse ;-) ) Lunedi 9 maggio Giovedi 12 maggio, Venerdi 13 maggio Reti di sensori Lunedi 16 maggio Giovedi 19 maggio, Venerdi 20 maggio Reti Bluetooth Lunedi 23 maggio Giovedi 26, Venerdi 27 maggio 10

11 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? 11

12 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

13 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 13

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) 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 14

15 Architettura di una rete radio wired rete di trasporto rete d accesso wireless 15

16 Modelli di Reti Wireless 1) Reti con punto di accesso fisso (cellulari) Rete fissa Solo collegamenti terminale mobile punto di accesso fisso 16

17 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 17

18 Scenario di riferimento ad oggi Ad Hoc access (BT-IEEE ) 4G Scenario INTERNET 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 18

19 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 19

20 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 20

21 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 21

22 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è c èdi 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) 22

23 Problemi e limitazioni Scarsità delle risorse radio (numero e qualità) Gestione della mobilità degli utenti Estrema variabilità del traffico (difficile predizione) Consumo energetico.. 23

24 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 24

25 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è c èdi 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 25 interferiscono

26 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è c èdi 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 26

27 27

28 Alcune definizioni... Control/data channel (control channel used for transmission, setup, call request, call initiation, ) Simplex Systems/Duplex Systems (half and full duplex) Uplink/downlink Reverse/Forward channel Handoff 28

29 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è c èdi 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!! 29

30 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 30

31 Cenni storici: Motivazioni dei sistemi cellulari 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. 31

32 Cenni storici: Utenti mobili nel mondo Mobile systems subscribers! 1 persona su 10 al mondo attualmente possiede un telefonino In Italia 45M di abbonati Dati da 32

33 Cenni storici: Prima Generazione (1G) AMPS: Advanced Mobile Phone Service (1983) 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 Sistemi analogici, mancanza di un Unico sistema paneuropeo 33

34 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 34

35 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)... domani UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) e CDMA2000 (3G) 3GPP Third Generation Partnership Project (derivato di uno dei comitati tecnici del GSM) 35

36 Cenni storici: 1982 Groupe Special Mobile del CEPT (conferenza europea delle 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 greati diversi sottocomitati dell ETSI che si occupano degli aspetti collegati ai servizi, aspetti radio, di rete, servizi dati, gestione della rete, sicurezza, codifica vocale GSM 1992 primi sistemi GSM (94 primi servizi dati) 36

37 Cenni storici: Digital Cellular Systems World-wide GSM D-AMPS Japan Digital PCS 1900 DCS 1800 CDMA Dati da 37

38 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) 38

39 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è c èdi di diverso in in una rete cellulare che offre un un servizio di di telefonia (mobile)? Rete d accesso canale wireless mezzo trasmissivo condiviso e non dedicato Centale telefonica Doppino telefonico Canale Radio 39

40 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è c èdi 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 40

41 Rete telefonica Rete cellulare Cosa c è c èdi 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 41

42 Canale Wireless risponderemo alla seguente domanda: -quali sono le ragioni per la presenza di errori nella trasmissione? 42

43 Canale wireless Rispetto ai mezzi cablati il canale radio è un mezzo di trasmissione molto più inaffidabile (lo scenario cambia dinamicamente) 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) 43

44 Problemi nella propagazione del segnale Line of sight Reflection Shadowing 44

45 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 45

46 Attenuazione del segnale Signal power Distance BS MS 46

47 The Radio Spectrum Radio wave s( t) 2 ( π +ϕ ) = Acos ft Wavelength λ = c/f Speed of light c=3x10 8 m/s Frequency: f λ [V U S E]HF = [Very Ultra Super Extra] High Frequency f f = 900 MHz λ = 33 cm 47

48 The radio spectrum ELF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF IR Light <3 KHz 3-30 KHz KHz 300 KHz 3 MHz 3-30 MHz MHZ 300 MHz - 3 GHz 3-30 GHz GHz 300 GHz 400 THz THz Remote control, Voice, analog phone Submarine, long-range Long-range, marine beacon AM radio, marine radio Amateur radio, military, long-distance aircraft/ships TV VHF, FM radio, AM x aircraft commun. Cellular, TV UHF, radar Satellite, radar, terrestrial wireless links, WLL Experimental, WLL LAN infrared, consumer electronics Optical communications 48

49 Attenuation phenomena for millimeter waves (EHF) Impairments due to -Oxygen - water vapour 49

50 Spectrum Allocation Cellular systems MHz range (VHF-UHF) Simple, small antenna (few cm) With less than 1W transmit power, can cover several floors within a building or several miles outside SHF and higher for directed radio links, satellite communication Large bandwidth available wireless data systems 2.4, 5 GHz zones (ISN band) Main interference from microwave ovens limitations due to absorption by water and oxygen - weather dependent fading, signal loss due to by heavy rainfall etc. 50

51 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 ] 51

52 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) Directivit y D = 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 T / 4 Directional antennas point energy in a particular direction Better received signal strength Less interference to other receivers More complex antennas 52

53 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) 53

54 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 ] 54

55 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. 55

56 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 P A = 30 db piu grande di P B ad esempio il guadagno dell antenna e espresso in db 2 3dB (una potenza e il doppio dell altra), 10dB un ordine di grandezza di differenza, 20dB due ordini di grandezza, 30db tre ordini di grandezza 56

57 Decibels - dbm dbm = rapportato ad una potenza di 1mW Potenza in dbm = 10 log(potenza/1mw) Potenza in dbw = 10 log(potenza/1w) 1dBW=30dBm 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) 57

58 Computation with db Transmit power Measured in dbm Es. 33 dbm Receive Power Measured in dbm Es. 10 dbm Path Loss Transmit power / Receive power Measured in db Loss (db) = transmit (dbm) receive (dbm) Es. 43 db = attenuation by factor

59 Canale wireless : attenuazione da distanza La L L free (d) = λ 4πd 2 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.) 59

60 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) 60

61 Path Loss (propagation loss) positive value in db PL( d) [ db] = 10log 10 Pt P r = 10log 10 L G G t r 4πd λ 2 = = = = 20log 20log 20log d d d 10log log 20log GtGr 20log10 L 4 GtGr f 10log10 L GtGr f 10log10 L λ π = 20log c = 4π 61

62 Free space loss same as path loss, but part due to attenuation in free space only (in db) L free ( d) = λ 4πd 2 L free ( d) [ db] = λ c / f = 20log = 20log 4πd 4πd 20log d + 20log f

63 Alcune elaborazioni sulla formula dell attenuazione P R = P T g T g R λ 4πd 2 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 f0 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) 63

64 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

65 65

66 Canale wireless : attenuazione da distanza Nell ipotesi della propagazione per due percorsi (LOS e tramite riflessione su un secondo percorso) 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 (spazio libero/propagazione su due percorsi) Nonostante ciò di solito si utilizza una formula simile anche nel caso generale dove però l esponente 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 λ 4π 2 1 d η 66

67 Example scenarios: LOS path non necessarily existing (and unique) Example: city with large buildings; No LINE OF SIGHT; Diffraction; reflection diffraction reflection 67

68 Example scenarios LINE OF SIGHT + Diffraction, reflection, scattering LOS 68

69 P Extended formulae ( d)( db) = 10log10 Pr ( do) + 10η log r 10 d_ref 1 Km P_ref -51,5266 dbm (Ptx=10W; 900 MHz; 1000m) d d o distance prx (eta=2)prx (eta=3,5) prx (eta=4) 1-51, , ,5266 1,2-53, , ,6939 1,4-54, , ,3717 1,6-55,609-58, ,6914 1,8-56, , , , , ,5678 2,2-58, , ,2235 2,4-59, , ,7351 2,6-59, , ,1256 2,8-60, , , ,069-68, ,6115 3,2-61, , ,7326 3,4-62, , ,7858 3,6-62, , ,7787 3,8-63, , , , , ,609 4,2-63, , ,4566 4,4-64, , ,2647 4,6-64, , ,0369 4,8-65, , , ,506-75, ,4854 received power (dbm) η=2 η=3,5 η= distance (Km) 69

70 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), environment issues First model: Okumura, 1968, based on measurements in the Tokyo Area VERY complex due to many specific correction factors! 70

71 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 Average ground level 71

72 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) 72

73 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) 73

74 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

75 Okumura-Hata: examples path loss (db) F=900MHz, h bs =80m, h ms =3m distance (km) large cities small cities suburbs rural area Possiamo approssimare con la λ 1 P formula di attenuazione R = PT gt g R η 4π d Se calcolate il valore di η che corrisponde a tali curve si va da oltre 4 a 2 passando da ambiente urbano-large city- a ambiente rurale75 2

76 Realistic scenarios obstructions between the transmitter and receiver reflection, diffraction, scattering Propagation strongly influenced by environment (building characteristics, vegetation density, terrain variation) Perfect conductors reflect waves; nonconductors absorb some energy wave traverses multiple paths Radio waves arrive at receiver from different directions and with different time delays Resultant signal at receiving antenna is vector addition of incoming signals signals can add constructively (resultant signal has large power) or destructively (resultant signal has small power) depending on relative phases not only more severe attenuation than in the ideal case but signal received power varies in time and space Software tools needed to analyze complex specific scenarios (ray-tracing) 76

77 Slow fading fast fading Signal power Distance BS MS (m) Distance BS MS (km) 77

78 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). 78

79 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 ampiezze frequenza la potenza del segnale differisce from place to place from time to time! 79

80 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 80

81 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) 81

82 Rayleigh Fading e r ( t) ( 2 f t + φ ) = = N = a k k cos π 1 0 k = X N ( 2πf 0t) a ( f t) k k cosφk sin 2π = 1 0 ( 2πf t) Y sin( 2πf t) cos k = 1 = cos 0 0 recall = cos that : cos( 2πf 0t + φk ) = ( 2πf t) cos( φ ) sin( 2πf t) sin( φ ) 0 N k a k sinφ k 0 = k In the assumptions: - N large (many paths) - φ k uniformly distributed in (0,2π) - a k comparable (no privileged path such as LOS) X,Y are gaussian, identically distributed random variables Rayleigh fading power distribution f p ( x) = 1 x 2σ e 2 2σ 2 Sigma 2 is the Variance of The X,Y variables 82

83 Rayleight-faded signal Power Perche e importante tener conto del fading? Answer1: Outage Probability Probability that received power is lower than a given threshold Below which signal cannot be correctly received P out = pthr o f(p) dp 83

84 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) 84

85 Esempi Segnale trasmesso Segnale ricevuto Impulso Gaussiano trasmesso sul canale radio ed esempi di segnale ricevuto (10 componenti multipath) 85

86 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 τ RMS τ i P i n i d RMS delay spread ritardo del path i potenza ricevuta path i numero di path 86

87 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 addattativo in ricezione 87

88 Accesso Radio Condiviso 88

89 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) 89

90 Accesso radio condiviso: Multiplazione La multiplazione di livello fisico consente di creare piu canali fisici; consiste nel suddividere la capacità di un canale in sottocanali di velocità inferiore 90

91 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) 91

92 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 92

93 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 93

94 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 94

95 Accesso radio condiviso: Sistemi cellulari- 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 95

96 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 (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 96

97 Teoria del traffico: il traffico istantaneo Il traffico istantaneo in t è il numero di chiamate (messaggi, pacchetti, ) a(t) in corso su un canale 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 97

98 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 98

99 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) 99

100 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 100

101 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 101

102 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 102

103 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 103

104 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 104

105 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 105

106 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 106

107 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 in 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 107

108 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 108

109 Teoria del traffico: Probabilità di blocco 109

110 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 110