Elementi di Reti per Telecomunicazioni

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1 Elementi di Reti per Telecomunicazioni (Parte III) Reti Wireless (Wi-Fi, BLUETOOTH, WiMax) Corso di Telecomunicazioni Anno Accademico 2008/2009

2 Contenuti Introduzione: le trasmissioni wireless. IEEE Wireless LAN, caratteristiche, livello fisico e sottolivello MAC IEEE BLUETOOTH, caratteristiche, livello fisico e sottolivello MAC

3 Storia delle Trasmissioni Wireless 1/2 1896: telegrafia wireless, invio e ricezione di codici di Morse (Marconi). 1907: primo servizio wireless su rotte transatlantiche (stazioni base ingombranti e uso di antenne di grandi dimensioni 30x100m). 1920: Marconi scopre le trasmissioni ad onde corte (lunghezza d onda < 100m). 1935: prima telefonata intercontinentale. 1946: primo servizio pubblico telefonico in 25 metropoli USA (larghezza di banda di 120 KHz in modalità half-duplex). 1950: la FCC raddoppia il numero di canali mobili limitando la larghezza di banda della radio-frequenza a 60 KHz e nel 1960 a 30 KHz. 1968: la AT&T sottomette alla FCC il concetto di telefono cellulare.

4 Storia delle Trasmissioni Wireless 2/2 1976: 543 utenti, allocati su 12 canali, sono stati serviti dal sistema mobile NY BELL. 1982: viene creato l European Global System for Mobile Communications (GSM). 1983: la FCC alloca 666 canali duplex per la trasmissione AMPS (Advanced Mobile Phone System, 40 MHz in una banda di 800 MHz con canali di larghezza 30 MHz). 1989: la FCC rilascia altri 166 canali per la trasmissione AMPS. 1991: nascita del sistema IS-54 (sistema digitale cellulare US, USDC): tre utenti per canale larg 30 MHz, successivamente viene raddoppiato il numero di utenti per canale. 1994: nascita del sistema IS-95 con accesso a divisione di codice: CDMA (code division multiple access).

5 Wireless Data Possiamo riassumere i punti fondamentali che hanno segnato questa tecnologia: Nomadicità dell utente Velocità di trasferimento dati comparabile alle reti wired Costi di gestione ridotti Interoperabilità degli apparati di diversi produttori Ovviamente ci sono delle limitazioni nell utilizzo di queste reti che possiamo riassumere con: Area di copertura radio limitata Possibilità di utilizzo limitate da ostacoli fisici

6 Caratteristiche La caratteristica desiderabile che una rete wireless deve avere è sicuramente la mobilità. L obiettivo finale di una comunicazione mobile è, ovviamente, garantire un determinato livello di qualità del servizio (QoS). La progettazione di una rete wireless deve ovviamente essere un trade-off tra le varie caratteristiche che si incontrano corrispondentemente agli strati della pila ISO/OSI ed il livello di QoS garantito. Pc-card 2 Pc-card 1 Stazione 1 AP Stazione 2

7 Pro e Contro Vantaggi: - Installazione non invasiva adatta a particolari edifici o situazioni - Installazione e configurazione veloci e semplici - Flessibilità e scalabilità ottimali - Riduzione costi di esercizio a lungo termine - Mobilità delle stazioni Svantaggi: - Interferenza - Cammini multipli (multipath) - Consumo energetico - Sicurezza - Throughput

8 Applicazioni Applicazioni: - Estensione di reti locali - Interconnessione fra edifici - Connettività per l utenza in movimento - Connettività in ambienti non adatti al cablaggio - Connessione di rete ad hoc Classificazione: in base alla copertura geografica: -WPAN -WLAN - WWAN in base alla tecnologia su cui sono basate: - Infrarosso - Dispersione di spettro (FHSS, DSSS) - Microonde in banda stretta (con o senza licenza)

9 Classificazione di Reti Wireless

10 Reti Wireless

11 Standard Wireless CABLE REPLACEMENT PAN ZigBee Bluetooth UltraWideBand Range HOME, OFFICE PUBLIC ACCESS CITY, SUBURBS WLAN WMAN Wi-Fi b MobileFi a/g/n WiMAX a/e LIMITED Mobility COUNTRY, REGION WIDE WAN GSM GPRS EDGE UMTS HSDPA FULL 1 kbit/s 10 kbit/s 100 kbit/s 1 Mbit/s 10 Mbit/s 100 Mbit/s 1 Gbit/s Bit Rate Source: M. Dècina, D 2004

12 Accesso al Mezzo Trasmissivo Utilizzano onde elettro-magnetiche (EM) ad alta frequenza, infrarossi (IR) o radiofrequenze (RF) per trasmettere informazioni da un punto ad un altro. Le trasmissioni radio multi-portanti possono coesistere nello stesso spazio fisico, nello stesso istante, senza interferenza, trasmettendo a differenti frequenze (FDMA) in differenti intervalli temporali (TDMA) o utilizzando codici specifici per ogni messaggio (CDMA). Tempo Tempo Tempo FDMA Frequenza TDMA Frequenza CDMA Frequenza

13 Coesistenza di più comunicazioni contemporanee Multiplazione FDMA, TDMA e CDMA La condivisione del canale radio da parte di più comunicazioni contemporanee trova una molteplicità di soluzioni Obiettivo: efficienza nell uso della risorsa rispetto ai profili di traffico power Base Station power FDMA frequency TDMA frequency CDMA DL power UL time time time Mobile Station frequency Mobile Station Mobile Station Mobile Station

14 Ambiti di utilizzo della tecnologia Wireless Il raggio di copertura come dimensione fondamentale WAN Personal Operating Space WAN-MAN MAN Pico-Cell MAN-LAN LAN-PAN PAN Tecnologie differenti rispondono in modo ottimale alle diverse esigenze (distanza, mobilità, caratteristiche del canale, ): ~50km ~2km 0km ~10m Integrazione di reti eterogenee fisse e mobili con tecnologie differenti Si rende necessaria una funzione di interlavoro trasparente tra i diversi segmenti di rete operanti con soluzioni eterogenee vertical handover campus-based metropolitan area horizontal handover regional F. Benedetto Corso di Telecomunicazioni in-house A.A. 2008/2009

15 Contenuti Introduzione: le trasmissioni wireless. IEEE Wireless LAN, caratteristiche, livello fisico e sottolivello MAC IEEE BLUETOOTH, caratteristiche, livello fisico e sottolivello MAC

16 Standard per Reti WLAN Lo Standard IEEE (1997) definisce per le WLAN: - Pila di protocolli e livello fisico -Servizi - Protocollo del sottolivello MAC - Struttura del frame Tre diverse implementazioni del livello fisico - Infrarosso (Diffuse Infrared) - Frequency Hopping Spread Spectrum (FH/SS) - Direct Sequence Spread Spectrum (DS/SS)

17 Standard IEEE 802 Nasce nel 1997, ed è stato aggiornato nel 1999 (IEEE ) e adottato anche dall OSI come :1999. Prevede diversi sottogruppi:» D: Additional Regulatory Domains» E: Quality of Services» F: Inter-Access Point Protocols (IAPP)» G: Higher data Rates at 2.4 GHz» H: Dynamic Channel Selection and Transmission Power Control» i: Authentication and Security Due gli standard a livello fisico definiti ad oggi b: opera a 2.4 GHz ed è il più diffuso a: opera a 5 GHz con velocità più elevate

18 Sviluppo degli Standard IEEE b Stato Approvato 97 Obsoleto Approvato 99 Corretto 01 Banda Frequenza (Ghz) , ,5 Velocità (Mbit/s) Potenza (mw EIRP) Range (m) a Approvato g In esecuzione ,

19 Protocolli Wired e Wireless-Pila ISO/OSI

20 WLAN IEEE Scopi ed Obiettivi To provide wireless connectivity to automatic machinery, equipment or stations that require rapid deployment, which may be portable or hand-held, or which may be mounted on moving vehicles within a local area Lo standard stabilito per essere usato nella Banda Industriale, Medica e Scientifica (ISM), alle frequenza MHz, MHz e MHz. Nella banda ISM a 2.4 GHz, presenta due standard per il livello fisico: - uno con tecnica di accesso al mezzo FH/SS (Frequency Hopping Spread Spectrum); - l altro con tecnica DS/SS (Direct Sequence Spread Spectrum). Un alternativa è utilizzare a livello fisico la tecnologia infrarossi (IR). Le stazioni operanti con una delle tre tecnologie menzionate possiedono un data-rate di 1Mbit/s (opzionalmente raggiungono il valore di 2Mbit/s).

21 Componenti di Rete WLAN : basata su una architettura cellulare -La cella, detta BSS (Basic Service Set), è un insieme di stazioni. -Le stazioni vengono controllate tramite una coordination function. Componenti Stazione (STA): terminale con meccanismi di accesso al mezzo wireless e contatto radio con l access point. - Basic Service Set (BSS): gruppo di stazioni che utilizzano la stessa frequenza radio. - Access Point (AP): stazione integrata nella WLAN e nel sistema di distribuzione - Portale: bridge ad altre reti (wired). - Distribuition System (DS): rete di interconnessione per formare una rete logica (ESS: Extendend Service Set) basata su diversi BSS.

22 WLAN IEEE Architettura di Rete Architettura gerarchica - Elemento base BSS: set di stazioni STA controllate da una unica Coordination Function. - Una BSS indipendente è l esempio base di rete : è una rete ad-hoc e consiste almeno di due stazioni. Un portale è il punto logico (bridge) dove una rete LAN non- IEEE è connessa al DS. E quindi permessa la comunicazione tra differenti tipi di LAN.

23 WLAN IEEE Servizi di Rete I servizi sono suddivisi in due categorie: - Station Services (SS). - Distribution System Services (DSS).

24 WLAN IEEE Relazione tra i Servizi

25 WLAN IEEE Protocollo MAC Il livello MAC gestisce e mantiene le comunicazioni tra le STA, coordinando l accesso al mezzo trasmissivo condiviso. Lo strato MAC definisce due metodi d accesso: - Distributed Coordination Function (utilizzato) - Point Coordination Function Il primo dei due sfrutta un meccanismo di accesso che si basa sul concetto di CSMA/CA. Il secondo prevede che un entità logica detta Point Coordinator (PC), che risiede nell AP della BSS, stabilisca istante per istante mediante un operazione di polling quale STA sia autorizzata a trasmettere.

26 Protocollo CSMA L accesso distribuito è basato sul metodo di accesso CSMA/CA: CS (Carrier Sense) ascolto del canale prima di trasmettere MA (Multiple Access) consente l accesso multiplo sullo stesso canale CA (Collision Avoidance) meccanismo che cerca di evitare le collisioni

27 Terminale Nascosto Difficoltà nel rilevare le collisioni negli ambienti radio. Mentre si trasmette non è possibile anche rilevare le collisioni non si può utilizzare la tecnica CSMA/CD (mentre trasmette ascolta). Nelle reti wireless è possibile il verificarsi del problema definito come Hidden Node o Stazione Nascosta. Non tutte le stazioni che appartengono alla stessa LAN possono sentire le altre, con il rischio che si verifichino collisioni. AP 1 STA 1 STA 2 STA 3

28 WLAN IEEE CSMA/CA Prenotazione esplicita del canale Sorgente -Verifica che il canale sia libero per un tempo specificato (DIFS). - Se il canale è libero invia RTS (Request to Send). - Tale messaggio, più piccolo e meno costoso, contiene informazioni come: la sorgente, la destinazione, tempo trasmissione (invio dati + ricezione ACK). Destinazione - Quando riceve RTS controlla se il canale è libero per un prefissato periodo di tempo (SIFS). - Se il canale è libero invia alla sorgente il messaggio CTS (Clear to Send), poco costoso perché piccolo ed include le stesse informazioni dell RTS. - Qualunque stazione che riceve un RTS o CTS setta il NAV (Network Allocation Vector) al valore del campo durata nel frame di dati, RTS o CTS. - Con l invio di RTS e CTS si riduce l overhead di collisione (costano meno di un intero pacchetto). - In trasmissioni di brevi pacchetti si può omettere l invio dei messaggi RTS/CTS.

29 WLAN IEEE CSMA/CA DIFS RTS CTS SIFS DIFS DATA ACK SIFS DIFS Sorgente Destinazione

30 WiFi: Sommario Non solo rete LAN senza fili Tecnica di accesso CSMA/CA Temi critici: Sicurezza: wardriving Standard VoWLAN: VoIP over WLAN a mod. OFDM in banda 5 GHz, 6-54 Mbps b mod. DSSS in banda 2.4 GHz, 5.5 e 11 Mbps c supplemento per funzionalità di bridge d adattamento a differenti contesti regolatori e introduzione della QoS f protocollo tra AP g modulazione OFDM (altre modalità previste) in banda 2.4 GHz, 54 Mbps h arricchimenti di a per gestione spettro e potenza i arricchimenti di sicurezza j arricchimento di a in banda GHz per Giappone k gestione della risorsa radio m correzioni e chiarimenti tecnici n arricchimenti per l alta velocità

31 Contenuti Introduzione: le trasmissioni wireless. IEEE Wireless LAN, caratteristiche, livello fisico e sottolivello MAC IEEE BLUETOOTH, caratteristiche, livello fisico e sottolivello MAC

32 Wireless PAN (Personal Area Networks) La prima rete WPAN fu sviluppata a metà degli anni 90. Era una rete di piccole dimensioni, bassa potenza, larghezza di banda modesta e con copertura radio di circa 2 metri. Altro interessante aspetto della tecnologia Bluetooth consiste nel limitato consumo di energia. Utilizzano tecnologie a radio-frequenze (RF) simili alle WLAN ma disegnate per offrire comunicazioni su aree di copertura meno vaste. Bluetooth (IEEE ) è stato selezionato come lo standard per tali comunicazioni. Il gruppo IEEE si occupa di sviluppare standard per comunicazioni mobili wireless a breve distanza.

33 BLUETOOTH - Si tratta di un tipo di rete studiata per l interconnessione di apparati (pc con stampanti, modem, telefoni fissi e cellulari, ) all interno di una stanza o comunque di un ambiente di piccole dimensioni. -L estensione della rete dovrebbe quindi essere intorno alla decina di metri, ma lo standard prevede anche apparati con potenze sufficienti a raggiungere la distanza di copertura di 50 metri (portandosi a competere con ).

34 BLUETOOTH - Vantaggi: non c è interferenza con apparati Wi-Fi, bassissima potenza di trasmissione, consumi di potenza ridotti (lungo tempo). Dimensioni ridotte dei chip. - Svantaggi: limitata copertura radio: ~10 metri, poca banda disponibile: <1 Mbps. Mantenimento trasmissioni contemporanee. Costi elevati rispetto alle altre wireless locali.

35 Servizi Sono previsti due tipi di servizi: Syncnronous Connection Oriented (SCO) Asynchronous Connectionless (ACL) La rete è organizzata in gruppi di stazioni dette piconet : Ogni piconet vede una stazione assumere il ruolo di master e le altre di slave. Il master fornisce il sincronismo e coordina le trasmissioni interrogando ciclicamente (polling) gli slave.

36 Gestione del Traffico -TDD (Time Division Duplex), Tecnologia impiegata nella gestione del traffico asimmetrico nell'umts come ad esempio la navigazione su internet, offre una mobilità limitata. - Riconoscimento automatico di un altro dispositivo non appena entrambi si trovano sulla stessa piconet. Nel caso di più piconet che formano una scatternet, è disponibile anche la funzionalità di roaming. - Bluetooth permette di gestire sia fonia che dati, utilizzando una trasmissione a pacchetto su rete radio per i dati e una modalità connection-oriented per la voce.

37 Scatternet I dispositivi dotati di questa tecnologia comunicano tra loro creando e riconfigurando dinamicamente delle reti ad hoc (piconet) composte da un massimo di otto nodi. Più picoreti possono a loro volta connettersi ed espandersi creando delle scatternet. Un dispositivo può partecipare a più Piconet contemporaneamente (time-shared)

38 Gestione delle Piconet SDP - Service discovery protocol - permette ad un dispositivo di determinare quali sono i servizi che gli altri apparecchi presenti nella picorete mettono a disposizione. Scansione - Con la prima connessione di un dispositivo avviene la scansione di tutti i nodi presenti. Supporta un collegamento punto a punto ( point to pont ) e multi punto ( multipoint ). La modalità di interconessione dinamica consente di sincronizzare i dati tra due apparecchi automaticamente.

39 Canalizzazione 79 canali da 1 MHz( f = 2402+K MHz; K = 0,1,.78) Frequency hopping (1600 hop/s) per evitare gli effetti di interferenze (interpiconet BT, WiFi, ); tutte le unità che partecipano alla piconet sono sincronizzate al canale in termini di tempo e frequenza ( saltano sulle stesse frequenze negli stessi istanti )

40 Canalizzazione L asse dei tempi è diviso in time slot di 625µs: si permane sulla stessa frequenza per uno, o tre o cinque time slot.

41 Comunicazione Master-Slave Master: stazione che stabilisce il collegamento. Slave: stazioni individuate dal Master nella fase di Inquiry (fase di Inquiry: ricerca delle stazioni collocate nelle vicinanze). Strategia di comunicazione MASTER-SLAVE: 1. Accesso al mezzo controllato dal Master (polling) 2. Trasmissione del Master negli slot pari 3. Trasmissione degli Slave negli slot dispari

42 Tipi di Collegamento COLLEGAMENTO SCO (SynchronousConnection-Oriented): Simmetrico, supporta servizi sincroni, slot riservati COLLEGAMENTO ACL (AsynchronousConnection-Less): Asimmetrico, supporta servizi asincroni, polling

43 Bluetooth: Sommario Nata da un progetto Ericsson del 1984 per la sostituzione dei cavetti (King Harold Blatand, o Bluetooth, Re di Danimarca ( )) Bluetooth SIG (oltre 2500 aziende) IEEE del 2002 ha recepito la BT 1.2 Velocità fino a 1Mbps Spettro 2.4 GHz ISM: 79 MHz di banda = 79 nella gamma GHz Frequency Hopping & TDD Consumo batteria in ore Ritardo > 3s Comunicazioni punto-punto Classe Distanza Potenza Class I m 100 mw Class II Class III 30 m 10 m 2.5 mw 1 mw Comunicazioni in rete: Per le comunicazioni voce: (SCO - Synchronous Connection Oriented) FEC (forward error correction), assenza di ritrasmissioni, 64 kbps duplex, punto-punto a circuito Per le comunicazioni dati: (ACL - Asynchronous ConnectionLess) I nodi sono raggruppati in piconet Ciascuna piconet ha un master e fino a 7 slave (polling) Capacità condivisa di 720kbps a 10m Più piconet connesse tra loro formano una scatternet Sicurezza opzionale cifratura e autenticazione Asincrono, acknowledge rapido, punto-multipunto, fino a kbps simmetrico o kbps asimmetrico a commutazione di pacchetto

44 WiMax: Le caratteristiche principali Tecnologia per reti MAN basata su standard IEEE e ETSI HIPERMAN Accesso a larga banda (wirelessdsl) Backhauling per hot-spot WifI Per le frequenze da 10 a 66 GHz (licensed), ha standardizzato nel 2002 la tecnica per WLL in modalità strettamente LOS Le frequenze usate comunemente sono: 10.5, 25, 26, 31, 38 e 39 GHz Per le frequenze da 2 a 10GHz (unlicensed) in contesto NLOS, norma la comunicazione PMP fissa, mentre e punta alla mobilità Modulazione OFDM multicarrier con multiplazione TDM o FDM Simile ad HyperAccess di ETSI (ma incompatibile) La distanza massima dipende da efficienza spettrale, potenza, topografia, requisiti di disponibilità, antenna, Modulazione adattativa: vicino alla BTS uso modulazione più efficiente 20MHz 10MHz 7MHz 3,5MHz 64-QAM 72Mbps 36Mbps 26Mbps 13Mbps 16-QAM 48Mbps 24Mbps 18Mbps 9Mbps QPSK 24Mbps 12Mbps 9Mbps 4,5Mbps BPSK 12Mbps 6Mbps 4,5Mbps 2,2Mbps

45 WiMax: Le caratteristiche principali Profili iniziali di WiMax Frequenza di lavoro Duplexing Banda di canale 3,5GHz (licensed) FDD e TDD 3,5MHz e 7MHz 5,8GHz (unlicensed) TDD 10MHz (rev d) e Stato : Luglio 2004 Stima 1H05 Spettro Utilizzo Canale Throughput lordo di picco Banda passante del canale Copertura a 2.5 GHz (cella tipica) < 11 GHz Licensed & Unlicensed Fisso Ricevitore: fisso Fino a 75 Mbps con canali a 20MHz 4-18 Mbps in canali a 5 MHz Da 2 a 10 km semi-rurale Da 2 a 5 km urbana/suburbana (funzione della frequenza migliore a 700MHz) Massima copertura 35 km a 700 MHz Non Line of Sight Banda flessibile tra 1.25 e 20 MHz < 11 GHz ( <6 GHz practical) Licensed (& Unlicensed) Mobilità pedestre > Mobilità veicolare Ricevitore: notebook o palmare Fino a 75 Mbps con canali a 20MHz Piena mobilità: 80% della prestazione fissa Nomadica/Mobile Urbana/Suburbana/Semi-rurale 1 5 km (indoor) 2 7 km (outdoor)

46 WiMax: Gli scenari di applicazione Il WiMax e il WLL: In Italia nel 2002 si assegnarono solo 69 delle 210 licenze disponibili per il WLL nella banda 24,5-26,5 GHz (14 operatori tra regionali e nazionali questi ultimi usano il WLL per backup o efficienza nel backhauling) Tecnologia relativamente costosa e con limitazioni trasmissive WLL or WiMAX WiMAX WiFi My Personal Hot-Spot The Internet Residential Hot-Spots Nomadic Hot-Spots Corporate Hot-Spots Public Hot-Spots

47 WiMax: Lo spettro utilizzabile WiMAx è studiato per operare nell intero spettro fra i 2 e gli 11 GHz. Le frequenze sotto i 6 GHz offrono le migliori prestazioni. Le bande vengono definite in base alle regolamentazioni che variano da paese a paese Banda non licenziata 2,4 GHz: rischi di interferenza (specie per il mercato Enterprise) e scarsa potenza Banda non licenziata 5 GHz(specialmente la banda C: 5,8 GHz): interessante soprattutto per il mercato rurale. E molto usata negli USA e raccomandata dall ETSI per l uso in Europa Banda 3,5 GHz: la più comune delle bande licenziate. Offre buone caratteristiche di propagazione ed è disponibile nella maggior parte dei paesi (ma non in Italia allocata al Ministero della Difesa - né negli USA) Bande non licenziate US WCS MMDS ,5 GHz Profili WiMax disponibili Altre bande di interesse 5GHz A GHz C ISM (WiFi): GHz B

48 WiMax: Timeline per standard e prodotti IEEE standard WiMax.16d.16e Inizia processo di certificazione Disponibilità Chipset (Intel) Chip:.16d Chip:.16d/e Vendor (Alcatel, Siemens) Primi prodotti WiMax Primi prodotti WiMax PCMCIA (su laptop) Fonti: Senza Fili Consulting, BWCS Ltd, WiMax Forum

49 WiMax: Stime di sviluppo 90 Chipset Sales (Million Units) Wi-Fi Wi-Max Fonti: Dell Oro (Wi-FI) and ICG (Wi-Max) Esordio di WiMAx mobile (802.16e) Fonte: Senza Fili Consulting e BWCS Ltd Fonte: Intel