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1 Le tecnologie wireless nella PA Le tecnologie wireless Seminario di studio martedì 21 Marzo 2006 Trecordi Vittorio ICT Consulting Politecnico di Milano Agenda Le comunicazioni radio al centro dell attenzione Caratterizzazione della comunicazione radio Spettro: modalità e regole di impiego Ambiti di applicazione Standard di riferimento Evoluzione della comunicazione radio cellulare Evoluzione della comunicazione dati Reti locali: WiFi - tecnologie ed applicazioni Reti di accesso: WLL, BWA e MBWA WiMax e MobileFi Reti PAN: Bluetooth, Zigbee, UWB, RFID Evoluzione: dopo il 3G

2 Le comunicazioni radio al centro dell attenzione Dal cellulare radiomobile alla rete integrata multimediale a larga banda Lo sviluppo e l impatto della telefonia cellulare sono fenomeni di impatto evidente Flessibilità e mobilità sono tra i driver del successo Alle applicazioni telefoniche si affiancano le applicazioni dati e la tendenza alle applicazioni multimediali La tecnologia radio si mostra estremamente interessante per sistemi di comunicazione per finalità diverse: reti di sensori, reti locali, accesso alla rete, Partendo da presupposti differenti, si vanno delineando tecnologie e scenari convergenti Una moltitudine di tecnologie radio si affacciano al mercato con potenziale che indirizza in modo ottimale diverse aree applicative La sicurezza delle comunicazioni rappresenta uno dei principali punti di attenzione nell applicazione della tecnologia radio Nomadic MOBILE MOBILE SP FIXED FIXED Bandwidth Demand Convergenza Air Copper Glass Site based MOBILE MOBILE Ubiquity Demand (nomadico e mobile) the Last Mile FIXED PBX Wireless centrico FIXED Wireline centrico La legge di Moore Applicazione alla tecnologia Wireless a, UWB,.., Gbps Router Cable Modem ATM bWLAN, DSL Wireless Access Kbps 100 Local Access 10 Kbps 100 LAN/WAN Switching 10 Mbps 100 CPU Speed 10 Mhz 100 Memory Size 10 Memory MB LAN/WAN CPU Sw Ethernet 56K modem CDPD Local Access Wireless 3G Mobile short-range radio speeds outpacing Moore s law over last ~5 yrs!

3 Propagazione NLOS e NLOS Definizioni - Caratteristiche Reflection λ << D Diffraction λ D Scattering λ >> D In una comunicazione LOS la zona di Fresnel è in massima parte libera da ostruzioni La frequenza e la distanza influiscono sulla possibilità di comunicazione LOS I fenomeni atmosferici possono influire Pianificazione accurata Vincoli di applicabilità In una comunicazione NLOS il segnale al ricevitore è soggetto a diversi fenomeni funzione della lunghezza d onda e delle caratteristiche del mezzo (shadowing: attenuazione da grossi ostacoli, fading: variazioni su breve scala temporale dovute all ambiente e dipendenti dalla frequenza, multipath) Le componenti di segnale hanno diverse distribuzioni di ritardo, attenuazione, polarizzazione e stabilità rispetto al cammino diretto Tecniche usate in comunicazioni NLOS Tecniche di multiplazione efficaci contro interferenza intersimbolica ed equalizzazione adattativa (OFDM) Sub-canalizzazione Antenne direttive Diversità di trasmissione e ricezione Modulazione adattativa Tecniche di correzione di errore Controllo di potenza Lo Spettro Frequenze e modalità di utilizzo Lo spettro è una risorsa limitata e può essere usata allocata ed assegnata a utilizzi ed utilizzatori specifici (licensed spectrum) o può essere allocata per utilizzi indipendenti dal conseguimento di un assegnazione (unlicensed spectrum) I costi di aggiudicazione di un assegnazione danno garanzie di controllo sull uso dello spettro assegnato Nel caso di spettri unlicensed l uso promiscuo non prevede tutele sostanziali ν AM radio S/W radio FM radio TV TV cellul ar LF MF HF VHF UHF SHF EHF 1 khz 1 1 MHz GHz infrared visible 1 THz 1 PHz ISM band Mhz Ghz Le caratteristiche di propagazione dipendono dalla frequenza UV Ghz 30kHz 300kHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz 10km 1km 100m 10m 1m 10cm 1cm 100mm X rays 1 EHz Gamma rays ν λ Le tecniche di allocazione delle frequenze sono soggette ad ampia rivisitazione Passaggio da analogico a digitale: spectral dividend Nuove tecnologie Analisi dell effettivo impiego delle frequenze Possibilità di trading dello spettro

4 Bidirezionalità delle comunicazioni TDD e FDD Time Division Duplex (TDD) Forward link (F1) Mobile Station Base Station Reverse link (F1) Base Station Transmitter Transmitter BPF BPF Receiver F1 F1 Receiver Mobile Station Synchronous Switches Frequency Division Duplex (FDD) Mobile Station Base Station Forward link (F1) Reverse link (F2) Base Station Transmitter BPF F1 BPF F2 Transmitter Receiver BPF BPF Receiver F2 F1 Mobile Station 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 FDMA time time time frequency power TDMA Base Station frequency CDMA DL power UL Mobile Station frequency Mobile Station Mobile Station Mobile Station

5 Modulazione del segnale Evoluzione delle tecniche QPSK/GMSK DECT, GSM, TETRA Elaborazione tempo/frequenza Multicarrier Modulation (OFDM, etc.) DVB, a, etc.. Equalized QPSK/QAM/ GMSK,.. WLL, b Spread Spectrum (CDMA) IS-95 Aggiunta elaborazione spaziale Multiple antenna spatial processing (MIMO, etc.) 4G e WLL di nuova generazione ~ Mbps in funzione di dimensione cella e mobilità Wideband CDMA (w/ interference canc. & multiuser det) UMTS/IMT-2000 ~2 Mbps funzione della distanza Comunicazioni impulsive UWB WPAN e WLAN ~ Mbps Assenza allocazione spettro Distanza ridotta e larga banda L efficienza di un sistema di comunicazione radio si valuta in termini di efficienza spettrale, intesa come capacità di sfruttare lo spettro per trasportare informazione, misurata in bits/second/hertz/cell La modulazione, la tecnica di accesso multiplo, l organizzazione del canale, le tecniche di riuso delle risorse (celle, settori, power-control),, l interferenza interna impattano sull efficienza spettrale L efficienza spettrale impatta sul costo di una rete radio cellulare Esempi di efficienza spettrale (bits/second/herz/cell): GSM: 0,08, GPRSmax: 0,6, WCDMAmax: 0,9 Numero di celle/km 2 = Carico offerto (bits/s/km 2 ) Spettro disponibile (Hz) x efficienza spettrale (bits/s/hz/cell) OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM è una evoluzione della modulazione FSK (Frequency Shift Key): più frequenze ortogonali (sovrapposte) sono utilizzate come canali contemporanei, realizzando ognuna una modulazione numerica anche a più livelli (per esempio di tipo QAM se di ampiezza o QPSK se di fase) con impulso rettangolare Una caratteristica fondamentale: essere realizzata senza oscillatori ed integratori, ma esclusivamente tramite circuiti digitali che implementano la Fast Fourier Transform come blocco computazionale di base Motorola ha dimostrato sperimentalmente, nel 2004, di raggiungere data rate in down-link pari a 300Mbps a 100km/h Texas Instruments ha valutato che il guadagno di throughput dell OFDM sul CDMA con equalizzatore è <20% per bande di 1,25MHz, mentre aumenta per canali di banda più ampia (l impiego della tecnica MIMO accresce ulteriormente il vantaggio) Usata in ADSL, WiFi (802.11a), DVB, DAB Alta densità spettrale Robusta rispetto all interferenza a banda stretta Robusta rispetto alla varianza del ritardo delle componenti di segnale ricevute Contrasta l interferenza intersimbolica e gli effetti negativi del multi-path fading (usando prefissi ciclici) Fondamentale la precisione nel recupero del sincronismo Frequency B f 0 N carriers B Time-frequency grid T=1/f 0 Data Carrier One OFDM symbol Time

6 OFDM, OFDMA e SOFDMA Varianti della tecnica OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (OFDMA) è una tecnologia di trasmissione di tipo multicarrier derivata dall OFDM a cui aggiunge la tecnica di subcanalizzazione Il principio dell OFDMA consiste nel distribuire i differenti utenti sullo spazio dell FFT nell UL: l utente trasmette 1/N della banda disponibile e per aumentare il data-rate di un utente nell UL, gli vengono assegnati più sottocanali. Scalable OFDMA (SOFDMA) si prefigge di introdurre migliorie per quanto riguarda: Maggiore copertura NLOS con diversità di antenna evoluta e hybrid-automatic Retransmission Request (h-arq) Uso di sub-canalizzazione densa, aumentando la penetrazione indoor Introduzione di codifiche ad alte prestazioni come Turbo Coding e Low-Density Parity Check (LDPC), ottenendo migliori sicurezza e prestazioni in NLOS Introduzione della sub-canalizzazione downlink, consentendo agli amministratori di regolare il trade-off copertura-capacità Incremento della copertura con tecnologie Adaptive Antenna Systems (AAS) e Multiple Input Multiple Output (MIMO) Eliminazione della dipendenza della banda del canale dalla spaziatura delle sotto-portanti, ottenendo prestazioni indipendenti dalla spaziatura delle sotto-portanti Uso di algoritmi Enhanced Fast Fourier Transform (EFFT) in grado di tollerare migliori varianze sul ritardo e migliori prestazioni rispetto all interferenza dovuta a multicammino Standard di riferimento Il guazzabuglio degli enti di standardizzazione Traditional Model Telco Bodies PCS HATS Conf International Australian CCITT Coordinating Organizations CSRG JATE BT RCR TTC (UP) NA CCIR CCITT NA TTC (down) SPS NA ETSI NA NA NA NA ATSS OAS ECSA-T1 EIA/TIA * S1 TR8 X1 ECSA TR41 Q1 TR29 TR30 CSA Y1 M1 CEPT E1 ECMA CEN CAC 29 EWOS CENELEC 1 TC32 Traditional Model Information Systems Bodies NIST SCC ANSI X3 OIW T5 T1 CBEMA T2 POSI S3 V1 GROUP SPAG T9 SIS SNV C0S EMUG NNI DIN STDS ITU CCITT TTA CCIR CCITT ITU CCIR CTSAC ISO/IEC Network Managem t Forum SMDS Interest ATM Group Forum NA ISDN Users Frame Forum Relay Forum EuroFR Forum New Model Telco Bodies EDI SC Radio JTC IEC Conf 4 6 ITU-T 14 SC ISO-IEC URSI ITU-R REG SMPTE IETF IEEE POSIX B cast Unions JISC Internet IANA* PCR* Society JSA Traditional Radio Bodies EDIFACT X-Windows Open Consortium Software Fdn RARE Microsoft RIPE MAPI Unix Int l SIGMA Group Winsock Group X/Open VESA Stds Ass n New Model Information Systems Bodies AFNOR BSI BCS Fonte: A.M.Rutkowski

7 Comunicazioni wireless Gli enti di standardizzazione ITU: ITU-R è l organismo deputato alle tematiche radio fisse e mobili, terrestri e satellitari, con giurisdizione mondiale ETSI: emanazione della Unione Europea e del CEPT (Conference for Postal and Telecommunications Administrations) Broadband Radio Access Networks (BRAN) 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ERO (European Radiocommunications Office) unisce le strutture regolatorie dei 45 paesi del CEPT e si avvale dell ECC (Electronic Communications Committee) per operare nella definizione di questioni inerenti l allocazione dello spettro IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) organo primario di standardizzazione di reti LAN e MAN Una moltitudine di consessi industriali operano in ambiti specifici anticipando e prevalendo rispetto alle norme de-jure Es. WiFi Alliance, Enhanced Wireless Consortium, WiMax Forum, UMTS Forum, Marketing e promozione Certificazione Specifica interfacce di rete Specifica di test dei protocolli Contributi alla specifica di base del livello fisico Definizione del quadro regolatorio Specifica interfaccia radio Estenzione mobilità Specifica gestione Standard per le reti LAN e MAN (e non solo) Gli standard IEEE 802 L IEEE procede con autorità e con indirizzo per i costruttori di circuiti integrati Parallelamente ETSI elabora le proprie norme, con difficoltà di sviluppo e problemi di armonizzazione HiperLan/2 (High Performance LAN) Wireless LAN at 5 GHz, connection-based, OFDM, 54 Mbps, QoS PHY DLC ETSI BRAN (Broadband Radio Access Networks) HiperAccess (High Performance Access) Fixed broadband wireless PMP system above 11 GHz, single carrier, 120 Mbps PHY DLC HiperMan (High Performance MAN) Fixed broadband wireless PMP system below 11 GHz, OFDM, IP-optimized PHY DLC IEEE 802 WGs CL etc. CL Testing Profiles MIB WG BRIDGING/ARCH WG CSMA/CD WG WLAN Regulatory Competence Group Spectrum regulatory issues, Harmonized Standards, System Reference Documents, etc. Testing WG WPAN WG BWA WG ResPackRing TAG Radio Regulatory TAG Coexistance WG MBWA WG Handoff WG WRAN HIBERNATION LLC Token Bus Token Ring ISLAN Security Demand Priority DISBANDED DQDB Broadband TAG Fiber Optic TAG CATV

8 Ambiti di utilizzo della tecnologia Wireless Il raggio di copertura come dimensione fondamentale WAN Personal Operating Space WAN-MAN MAN PAN MAN-LAN LAN-PAN Pico-Cell ~50km ~2km 0km ~10m Tecnologie differenti rispondono in modo ottimale alle diverse esigenze (distanza, mobilità, caratteristiche del canale, ): Si rende necessaria una funzione di interlavoro trasparente tra i diversi segmenti di rete operanti con soluzioni eterogenee HOTSPOT: all interno di aeroporti, catene alberghiere e centri congressi,... HOTZONE: all interno di aree comunali, distretti industriali, Comunità Montane, Province,... Integrazione di reti eterogenee fisse e mobili con tecnologie differenti vertical handover campus-based metropolitan area horizontal handover regional in-house Tecnologie wireless Visione integrata dell evoluzione 1G 2G - 2,5G - 2,75G 3G 3,5G B3G 4G WWAN BWA TACS Analog AMPS Analog GSM GPRS WCDMA (UMTS) 384kbps - 2 Mbps HSPDA (UMTSR5) HSUPA (UMTSR6) 115 kbps 384 kbps Mbps DL? EDGE 5.75 Mbps UL? 3.1 Mbps CDMA2000 1xEV-DV 1xRTT 1xEV-DO 2-75 Mbps? Cognitive 144 kbps 2.4 Mbps MobileFi Radio WRAN WiMAX WLL (802.16REVd) e Mbps 18 Mbps? At 10-60GHz 2-75 Mbps 2-4 Mbps? WLAN WPAN WiFi b 11 Mbps At 2,4 GHz Bluetooth g WiFi a 54 Mbps At 2,4 GHz 54 Mbps At 5GHz Bluetooth kbps 1 Mbps Zigbee Kbps Bluetooth 2.0 EDR Zigbee ,1 Mbps n Mbps? 1 Mbps UWB a 100 Mbps NG UWB 480 Mbps Increasing Range and Mobility

9 UMTS Stato dell arte ed evoluzione La versione attualmente dispiegata è la Release 1999 (R99) del 3GPP Basata su tecnologia WCDMA (Wideband CDMA) La versione successiva, la Release 5 (R5), introduce sostanziose innovazioni: IMS Introduzione dell architettura Integrated Multimedia System (IMS) Introduzione dell High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) Introduzione dell IP UTRAN Introduce un architettura di core network flessibile, aperta all introduzione di nuovi servizi, indipendente dalla rete di accesso, basata su SIP per il controllo IP UTRAN La rete di accesso non è più una rete con link punto-punto in TDM o ATM, ma una rete IP, abilitando notevoli sinergie HSDPA Velocità di picco downstream di 14Mbps Ridistribuisce le funzioni di controllo e scheduling del traffico, portandole in parte nella BTS (migrandole dalla BSC) Fast Layer1: Scheduling, AMC (Adaptive Modulation & Coding) and HARQ (Hybrid Automatic Request), ACK/NACK e Channel Quality Feedback (CQI) Modulazione e codifica dinamica adattativa, scheduling veloce, ritrasmissione a livello fisico L introduzione di HSDPA in reti R 99 è prevista con un soft upgrade ed è prevista la coesistenza delle due forme di UMTS USUPA (R6) High-Speed Uplink Packet Access porta la velocità di trasmissione uplink fino a 5.76Mbps Considerato 3.75G è in via di standardizzazione (2007) WiFi Non solo rete LAN senza fili Tecnica di accesso CSMA/CA Temi critici: Sicurezza: wardriving VoWLAN: VoIP over WLAN infrastructure network AP AP wired network AP: Access Point AP Standard a mod. OFDM in banda 5 GHz, 6-54 Mbps b mod. DSSS in banda 2.4 GHz, 5.5 e 11 Mbps ad-hoc network g modulazione OFDM (altre modalità previste) in banda 2.4 GHz, 54 Mbps Enhanced i Security Mechanisms MAC QoS e Enhancements MAC PHY 2.4 GHz Frequency Hopped Spread Spectrum 1 Mbps 2 Mbps (optional) Japan j Extensions 5 GHz h Spectrum Managed 2.4GHz g High Rate >20Mbps 2.4 GHz Direct Sequence Spread Spectrum 1 Mbps 2 Mbps Published as IEEE Standard IEEE Std Initial capabilities in White 5 GHz n High Throughput Radio Resource k Measurements 1997 Infra-Red 1 Mbps 2 Mbps (opt) Interworking ESS Mesh Fast Roaming a 5 GHz a 6, 12, 24 Mbps 9-54 Mbps (opt) u s p Vehicular Environment T Wireless Performance Prediction r b 2.4 GHz b 5.5 Mbps 11 Mbps Reaffirmed Active work in blue Completed work in yellow SC Standing Committee Wireless NextSC Generation Publicity Inter-Access Port F Protocol Regulatory d Updates 1999 International Standard ISO/IEC : 1999 Completed additions in green SC m c Maintenance Japan USA Europe Ambiente Massima distanza Distanza a 11 Mbps Esterno m m Ufficio m 30-50m Casa 40-70m 20-30m Indoor 250 mw Outdoor 1 W EIRP Outdoor 4 W EIRP Indoor 200 mw EIRP Outdoor 1W EIRP DFS & TPC required in Europe GHz

10 ETSI HyperLAN HyperLAN2 è uno standard europeo ETSI Sono gli unici autorizzati per uso privato inoutdoor nella banda 5.4 GHz (Omologazione ministeriale del prodotto) CEPT ERC/DEC/(99)23: la banda di frequenze MHz può essere impiegata, ad uso collettivo per usi civili, da apparati a corto raggio per la trasmissione dati ad alta velocità aventi le caratteristiche tecniche della raccomandazione della CEPT ERC/REC il trasmettitore deve essere dotato di un sistema di controllo di potenza che assicuri un fattore di mitigazione di almeno 3 db; la selezione dinamica del a frequenza associata con il meccanismo di scelta de canale deve assicurare una distribuzione uniforme del carico nell banda assegnata. Sono sistemi dotati di meccanismi di sicurezza forti e senza interoperabilità. Per poter accedere ad una rete HiperLAN è necessario avere apparato della stessa marca. Gli apparati sono più costosi e molto meno diffusi di quelli WiFi Nei sistemi HiperLAN autenticazione e non intercettabilità sono basati sull algoritmo di cifratura a blocchi AES con Pre- Shared key (più potente dell RC4 con TKIP usato nel WPA) HyperLAN2 usa una tecnica MAC differente da a, entrambe hanno una velocità massima di 54Mbit/s e usano OFDM nel livello fisico (con alcune differenze) HyperLAN2 gestisce la QoS EC (Error Control) RLC (Radio Link Control) RRC (Radio Resource Control) Handover, Dynamic Frequency Selection, MT alive, Power control ACF (Association Control Function) DCC (SLC Connection Control) Assetto regolatorio per le WLAN Aggiornamento del Q305: Decreto Landolfi Estende l ambito di applicazione del decreto ministeriale 28/5/2003 oltre le aree regolamentate in precedenza. Sviluppato dopo una pubblica consultazione su uno schema di decreto e una sperimentazione Il disposto precedente regolamentava l uso della tecnologia solo nei cosiddetti hot-spot, aree confinate a frequentazione pubblica, come ad esempio parchi, giardini, stazioni, aeroporti Permette agli operatori di raggiungere territori non serviti da collegamenti in banda larga. Favorisce la copertura di comunità montane e piccoli comuni. Aumenta la competitività delle imprese nel mercato delle telecomunicazioni. Le frequenze sono utilizzate in modalità condivisa, non sono necessarie licenze d uso, ma possono essere soggette ad interferenze e a degradazione del segnale. Prevede la possibilità di effettuare collegamenti tra access point dello stesso operatore e di diversi operatori, nel rispetto delle regole di interconnessione. Le trasmissioni in radiofrequenza devono rispettare i limiti di potenza stabiliti (100 mw nel 2.4GHz, 1 W nel 5.4GHz). Occorre richiedere un autorizzazione generale alla Direzione generale per i servizi di comunicazione elettronica e radiodiffusione. Dovranno essere garantite: la sicurezza delle reti contro gli accessi non autorizzati; e le prestazioni a fini di giustizia.

11 WiMax Le caratteristiche principali Tecnologia per reti MAN basata su 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 usa OFDM, e usa OFDMA La distanza massima dipende da efficienza spettrale, potenza, topografia, requisiti di disponibilità, antenna, Modulazione adattativa: vicino alla BTS uso modulazione più efficiente g mobility management (2007) 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 Stato Spettro Utilizzo Canale Throughput lordo di picco Tecnica trasmissiva Copertura a 2.5 GHz (cella tipica) 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 (rev d) : Luglio 2004 < 11 GHz Licensed & Unlicensed Fisso Ricevitore: fisso Fino a 75 Mbps con canali a 20MHz 4-18 Mbps in canali a 5 MHz OFDM256 QPSK, 16QAM, 64QAM 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 e Dicembre 2005 < 11 GHz ( <6 GHz practical) Licensed (& Unlicensed) Mobilità pedestre > Mobilità veicolare Ricevitore: notebook o palmare Fino a 15 Mbps con canali a 5MHz Piena mobilità: 80% della prestazione fissa SOFDMA QPSK, 16QAM, 64QAM Nomadica/Mobile Urbana/Suburbana/Semi-rurale 1 5 km (indoor) 2 7 km (outdoor) WiMax Downlink-Uplink e QoS La tecnica MAC di WiMax è connection oriented Allocazione, ammissione e schedulazione gestiti dalla BS Accesso al canale: UL-MAP: definisce modo di accesso uplink e profili di data burst uplink DL-MAP: definisce profili downlink data burst UL-MAP e DL-MAP sono trasmessi all inizio di una trama downlink (FDD - Frequency Division Duplexing e TDD - Time Division Duplexing). FDD TDD Class UGS Unsolicited Grant Services rtps Real-time Polling Service Extended rtps nrtps Non-real-time Polling Service BE Possible Applications CBR Voice (no silence submission), circuit emulation MPEG Video Voice with silence suppression Data application with minimum rate requirements, e.g. FTP Data applications with no minimum rate requirements Expected Application Traffic Fixed-size packets at fixed intervals Variable-size packets at fixed intervals Variable-size packets at fixed interval (I don t think this is correct) Variable-size packets, variable intervals Who cares Traffic Paramters Sustained maximum traffic rate Maximum sustained traffic rate, minimum reserved traffic rate Same as rtps Same as rtps Maximum sustained traffic rate Elenco di CS types tratto da : No CS (behaviour is not defined) IPv4 IPv /ethernet 802.1Q/VLAN IPv4 over 802.3/ethernet IPv6 over 802.3/ethernet IPv4 over 802.1Q/VLAN IPv6 over 802.1Q/VLAN ATM

12 WiMax Gli scenari di applicazione Aree Rurali NOMADIC BACKHAUL SOHO WiMax BS OVERLAY MOBILE Backbone WiMax BS Estensione tramite wi-max dei servizi esistenti in aree metropolitane su aree rurali WLL (Wireless Local Loop): 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 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 Bande non licenziate Profili WiMax disponibili Altre bande di interesse US WCS MMDS ,5 GHz GHz A GHz C ISM (WiFi): GHz B 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)

13 WiMax Lo spettro nel mondo La situazione delle frequenze disponibili per realizzazioni wireless a larga banda di tipo WiMax è eterogenea e questo crea problemi di regionalizzazione dei prodotti e di specializzazione delle applicazioni: la gamma di frequenze tra 3,4 3,6 GHz è già disponibile in più di 100 paesi GHz (WLAN, Indoor Only) 3.5GHz (WLL) License bands GHz (U-NII) or GHz (ISM) GHz (RLAN, Europe) GHz MDS, MMDS License bands ) GHz (U-NII, Outdoor/Indoor) WiMax Timeline per standard e prodotti IEEE standard.16d.16e WiMax 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

14 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 WiMax Stime di sviluppo Chipset Sales (Million Units) Wi-Fi Wi-Max Fonti: Dell Oro (Wi-FI) and ICG (Wi-Max) Esordio di WiMAx mobile (802.16e) Fonte: Intel Roadmap di Intel per client previsioni del febbraio 2006 Intel d Client Roadmap Network CPE/RG Reference Profiles Monterey CPE Hardware Reference Rosedale / TPV RF RF: 2.5/3.5/5.8GHz Orlinda CPE Hardware Reference Rosedale 2 / Ofer-R or TPV RF RF: 2.5/3.5/5.8GHz Beta: Now PS: 3Q05 ES: TBD PS: 2H06 Network Software Reference Profiles Rosedale SW Appkit RSR1, PHY Stack, MAC API TDD/H-FDD Profiles Outdoor/Indoor Feature Set Beta: Now PS: 3Q05 Rosedale 2 SW Appkit PHY Stack, MAC API TDD/H-FDD Profiles Outdoor/Indoor Feature Set ES: TBD PS: 2H 06 Intel e Client Roadmap Modem Network Si Profiles PRO/Wireless 5116 Rosedale 2 Rosedale PHY/MAC PHY/MAC e PHY/MAC PRQ: Now ES: TBD PRQ: 2H06 CPE/RG Netwo rk Profil es Add-on Network Card Profiles All Roadmaps, features and code names are subject to change without notification Orlinda Indoor CPE Reference e 2.5/3.5GHz TDD Rosedale 2 / Ofer-R ES: TBD PS: 2H 06 Dana Point-P PC Card Reference e 2.5/3.5GHz TDD Ofer-M / Ofer-R ES: 3Q 06 Beta: 1Q 07 Alpha: 4Q 07 PS: 2Q 07 Dana Point-E Express Card Reference e 2.5/3.5GHz TDD Ofer-M / Ofer-R ES: TBD PS: 2H 07 Networ BTO/CMT Networ Handheld k Profiles k Profiles WiMax/WiFi BTO Montevina Mini-Card e a/b/g/n Ofer-M/Shiloh-M/Combo-R ES: TBD PS: TBD PDA/HH Module PDA/HH Module Reference e 2.5/3.5GHz TDD Besor-M / Ofer-R ES: TBD PS: 1H 08 WiMax/WiFi BTO Calpela Mini-Card e a/b/g/n Eshel-M / Eshel-R ES: TBD PS: 1H 09 PDA/HH Module PDA/HH Module Reference e a/b/g/n Eshel-M / Eshel-R ES: TBD PS: 1H 09 All Roadmaps, features and code names are subject to change without notification

15 Sperimentazione WiMax Oggetto e obiettivi Inizio sperimentazione: 1 luglio 2005 Termine sperimentazione: 31 dicembre 2005 Numero richieste presentate dai costruttori o distributori ufficiali di apparati Wimax, rispondenti allo standard ): 79 Numero proposte di sperimentazione approvate: 53 ZONE DISPONIBILITA canali (3,4-3,5 GHz) canali (3,5-3,6 GHz) CANALI INDIVIDUATI Canali Canali (MHz) (MHz) ZONE DISPONIBILITA canali (3,4-3,5 GHz) canali (3,5-3,6 GHz) CANALI INDIVIDUATI canali canali (MHz) (MHz) Milano Roma Arezzo 4x7 MHz (Entro un raggio di 30 km) 2x7 MHz (Entro 25 km) 2x7 MHz Valle d'aosta Sardegna Abruzzo Sicilia 2x7 MHz 2x7 MHz 2x7 MHz 2x7 MHz Piemonte 2x7 MHz Il Piano Nazionale di Ripartizione delle Frequenze (PNRF) approvato nel 2003 assegna la banda 3,4-3,6 GHz al Min. della Difesa per collegamenti in ponte radio punto-punto e al Min. delle Comunicazioni per collegamenti satellite - Terra: Il Ministero delle Comunicazioni ha richiesto una progressiva liberazione delle frequenze Parma 2x7 MHz (Entro 30 km) Obiettivi delle sperimentazioni: Determinare la capacità di penetrazione nel territorio; Valutare i servizi voce; Verificare i modelli di business Determinare i costi per gli utenti finali; Determinare ricadute commerciali per aree raggiunte e non da banda larga; Valutare sinergie con operatori di telecomunicazione mobile. Prestazioni del WiMax Alcuni risultati Risultati relativi alla copertura con le seguenti assunzioni: 3.5 GHz, 3.5 MHz per settore con parametri nella configurazione di default: Obiettivo copertura 95% (Shadowing Margin=9,25 db) Disponibilità comunicazione al bordo della cella 99% (Fading Margin=9 db) Obiettivo di BER 10-6 Risultati relativi a throughput e copertura con le seguenti assunzioni: 3.5 GHz, 3.5 MHz per settore con parametri nella configurazione di default (ambito sub-urbano) Obiettivo copertura 75% (Shadowing Margin= 0 db) Disponibilità comunicazione al bordo della cella 99% (Fading Margin=9 db) Obiettivo di BER 10-6

16 Broadband wireless e wired Considerazioni comparative WiBro Un anticipazione dalla Corea Standard Telecommunications Technology Association (TTA) della Corea The Status of WiBro Global standardization Lavora nella gamma a 2.3GHz: in Corea viene usato in una banda di 100MHz tra 2.3 e 2.4GHz Integra garanzia di QoS e viene proposto per accesso ad Internet come alternativa ad HSDPA Dal Dicembre 2005 sono partiti 3 operatori in Corea WiBro si presume possa essere uno dei primi profili certificati per e (1K FFT, 8.75 MHz bandwidth, 2.3 GHz) TTA TTA Phase I Phase I Rev OFDMA/TDD PHY Harmonization 1024 FFT, BW: 10MHz MAC Harmonization d d/e TTA TTA Phase II Q ~ Q Max Data rate (50Mbps) AAS, MIMO IOT Profile - Profile statement (2005.1Q) - Spec Work (2005.2Q) - Completion of Spec(2005.3Q) IEEE IEEE d/e d/e Issue Issue Issue d e/D e/D Final Publish Q Major System Parameters Radio Access Requirement Duplexing TDD Frequency Reuse Factor 1 Multiple Access OFDMA Mobility 60 [Km/h] Channel BW 10 [MHz] Service Coverage 1 [Km] Spectral Efficiency [bps/hz/cell(sector)] Max. DL / UL = 6 / 2 Aver. DL / UL = 2 / 1 Handoff 150 [ms] Throughput (per user) Max. DL / UL = 3 / 1 [Mbps] Min. DL / UL = 512 / 128 [Kbps] WiBro Phase Ⅰ (2004.6) IEEE (2004.6) WiBro Phase Ⅱ (2004.7) IEEE e (2005.9) IOT/CT standardization (Ongoing) Liaison (since May 2004) TTA PG302 (Members) Participation Participation Participation Liaison (Doc 8A/178, April, 2005) It is expected to proceed ITU-R It is expected to proceed the International WP8A/9B the standardization for standardization for BWA Interoperability (ITU Member activities & (WiMAX Member Liaison between activities & collaboration IEEE and ITU-R SG between IEEE and around 2005~6 WiMAX Forum around 2005~6 IEEE (Members) Collaboration Working Group

17 MobileFi Gruppo di lavoro avviato solo dal marzo 2004 da Arraycom e Flarion (ora Qualcomm) Flarion usa la tecnologia Flash-OFDM (Fast Low latency Access with Seamless Handoff- OFDM) Obiettivo di rendere disponibile una specifica per l accesso radio a larga banda per utenza mobile (in velocità) basata su accesso a pacchetto nativo (IP) e con data rate elevato In chiara sovrapposizione rispetto a UMTS e parzialmente sovrapposto a e, la cui finalizzazione si prevede per il 2005 Tra le aziende più attive Flarion, Arraycom, Motorola, Lucent e Huawai Attributo Valore obiettivo Classe di mobilità veicolare per velocità fino a 250 km/h Mobilità (definizione ITU-R M ) Densità spettrale > 1 b/s/hz/cell Data rate di picco per utente (Downlink (DL)) > 1 Mbps* Data rate di picco per utente (Uplink (UL)) > 300 kbps* Data rate di picco aggregato per cella (DL) > 4 Mbps* Data rate di picco aggregato per cella (UL) > 800 kbps* RTT per trama MAC a livello su tratta radio < 10 ms Banda passante e.g., 1.25 MHz, 5 MHz Adeguato alle aree metropolitane e al riuso delle Dimensione celle infrastrutture esistenti (> 15 Km) Spettro (Frequenza massima di lavoro) < 3.5 GHz FDD (Frequency Division Duplexing) e TDD (Time Spettro (Comunicazione bidirezionale) Division Duplexing) Allocazione dello spettro Spettro licenziato per applicazioni mobili Supporto per la sicurezza AES (Advanced Encryption Standard) * Obiettivo per banda di canale di 1.25 MHz. Ciò corrisponde a 2 canali da 1.25 MHz (accoppiati) per FDD e un canale a 2.5 MHz (unpaired) per TDD. Per altre bande di canale i data rate possono cambiare. Field Service Apps Work Domain Hotel/Motel Portable Office Portable Services Video Streaming - Conferencing Apps Seamless Ubiquitous Experience Reservations- Listings Directions Services Mobile Office (Voice and Data Apps) Portable Remote Access Services Mobile Domain Video Streaming - Conferencing Apps Home Domain High BW Connectivity Mobile Commerce Services Video Streaming - Conferencing Apps Mesh Networks Reti ad alta connettività e a rilancio del traffico In una rete mesh i nodi sono in grado di rilanciare il traffico verso altri nodi (multi-hop) Si usano link radio WLAN ma i nodi non sono AP semplici ma gestiscono il rilancio del traffico Sono autoconfiguranti e consentono alta disponibilità Degrado delle prestazioni al crescere del numero di rilanci (Aumento del ritardo) L aumento dei nodi comporta una crescita della banda della rete I nodi possono essere fissi o mobili (veicolari) In una rete ad-hoc la maggior parte del traffico è user-user, mentre in una rete mesh è user-node e nodenode

18 WPAN Inquadramento e norme Soluzioni a media velocità Nate per sostituire i cavetti di raccordo Distanze brevi <10 m Bassi consumi e costi ridotti Cable Replacement 802.X connection to rest of the house IP Networking Wirelessly connect to TV, flat-screen, DLP Projector Soluzioni ad alta velocità (basati su UWB) Comunicazioni di immagini e video WPAN a bassa velocità Sensori, misuratori, etichette e badge intelligenti, home automation Ultra low power e costi risicati; Distanza minima Wirelessly connect and print digital photographs Wirelessly connect to PDAs and MP3 players MAC Sublayer MAC Sublayer MAC Sublayer GHz WPAN-Bluetooth Bluetooth(TM) GHz WPAN-HR High Rate UWB WPAN-HR Higher Rate a MHz WPAN-LR Low Rate MHz WPAN-LR Low Rate GHz WPAN-LR Low Rate UWB LDR? 1 Mb/s 11 Mb/s 22 Mb/s 55 Mb/s 55 Mbps 110 Mb/s 480 Mb/s 2 kb/s 20 kb/s 2 kb/s 20 kb/s 2 kb/s 250 kb/s Bluetooth Rete per sostituzione di cavetteria 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 Comunicazioni in rete: 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 S1 4 M1 Classe Class I Class II Class III M4-S2 M2 Distanza m 30 m 10 m S2 3 Potenza 100 mw 2.5 mw 1 mw 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) Asincrono, acknowledge rapido, puntomultipunto, fino a kbps simmetrico o kbps asimmetrico a commutazione di pacchetto M3

19 ZigBee Reti di sensori IEEE (Low rate WPAN) Velocità tra 20 e 250 kbps Costo esiguo (1,5-2$ 2005) Topologia a stella e P2P 255 dispositivi per rete Accesso CSMA-CA DSSS con ritardo di accesso al canale di 200ms Opz. garanzia di time slot Garanzia di consegna Ritardi di accesso e consegna ridotti (3ms) Low power (battery life da molti mesi ad anni) Due livelli fisici (2.4GHz e 868/915 MHz) Ridotto duty-cycle (<0.1%) Distanza: 10m nominale (1-100m in dipendenza della configurazione) Location Aware: opzionale Tipologie di servizi: Dati periodici Velocità garantita Dati intermittenti Comunicazione di base Dati ripetitivi a basso ritardo Allocazione di time slot garantiti IEEE /915 MHZ Physical layer Upper layers Network layer Data link layer IEEE GHZ Physical layer Zigbee spec IEEE802.2 LLC type 1 SSCS Network coordinator Network node IEEE node Communications flow Virtual links Other LLC IEEE MAC layer UWB Trasmissione in condivisione di spettro Un sistema Ultra Wideband (UWB) trasmette segnali occupando uno spettro molto esteso (almeno il 20% rispetto alla frequenza centrale e comunque con banda superiore a 500MHz, definizione FCC) con frequenze di lavoro tra 3,1 e 10,6 GHz Per generare segnali UWB si affida l informazione ad impulsi di durata inferiore a 1 nanosecondo I principali vantaggi delle tecniche UWB sono: data rate elevato (centinaia di Mbps fino a 1Gbps) e il consumo di potenza contenuto (elevata durata delle batterie) Le tecniche UWB nascono in ambito militare e si usano per radar, sistemi di posizionamento e sistemi di comunicazione in condizioni di rumore selettivo Transmit Power Spectral Density [dbm/mhz] Narrowband (e.g GSM: +35 dbm/mhz) WCDMA (typ. +15 dbm/mhz) UWB (e.g 41 dbm/mhz) 1 Frequency/GHz 10 Negli organismi di standardizzazione ( a) vi sono due proposte in conflitto: Direct Sequence CDMA (DS-UWB) [principali sostenitori: Motorola ed Xtreme Spectrum]; Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MB-OFDM) [principali sostenitori: Intel, Philips, e Texas Instruments]. Il principale tema di interesse è la convivenza con altri sistemi di comunicazione radio: la standardizzazione di frequenze non soggette a licenza riguarda la distribuzione di potenza Throughput (Mbps) IEEE802.11a UWB IEEE802.11g Distance (m) Comparazione pragmatica tra throughput di UWB e * Fonte: J. Foerster, Intel Research, 2001 sweet spot per nx100 Mbps WPAN UWB adeguato per link radio efficienti, breve raggio

20 RFID Le etichette intelligenti Radio transceiver di bassissima potenza associati a oggetti Le applicazioni più conosciute sono legate alla logistica in diversi ambiti: catene di distribuzione e movimentazione, sanità, grande distribuzione, automazione Le opzioni tecnologiche contemplano le soluzioni alimentate o passive, scrivibili o read-only Gli aspetti di business da considerare riguardano il costo dei tags (in rapido declino), gli standard di identificazione (EPC, AutoID) e le implicazioni di privacy Rappresentano l evoluzione dei codici a barre anche se non li sostituiscono Operano in modalità NLOS Resistono all umidità, al calore e alle vernici Risvolti di sicurezza: privacy Standard Applicazioni Inductive Coupling N Reader LF Spettro KHz Raggio 10 cm lettura Quota di 74% mercato Accoppiamento Magnetico S TAG HF MHz 1m 17% Magnetico Reader 2-7 m 6% Backscatter UHF MHz 1m 3% TAG Microwave GHz Elettromagnetico Elettromagnetico 11784/85, , 15693,14443 A, B, and C EPC C0, C1, C1G2, Smart Card, Small item Transportation Transportation Ticketing, management, vehicle ID, vehicle ID (road animal supply chain, Access/Security, toll), tagging, Anti-theft, library, large item Access/Security, Access, transportation management, large item Laundry supply chain management, supply chain Le nuove frontiere Verso il 4G 3.5G: arricchimenti del 3G Compatibilità con sistemi preesistenti Obiettivi: aumento di capacità, migliore qualità e riduzione costi Esempio: HSDPA B3G: integrazione delle interfacce radio Aggiunta di interfacce di accesso a reti esistenti Obiettivi: nuove funzionalità e applicazioni Esempio: integrazione 3G e DVB o WLAN 4G: nuova interfaccia radio e nuovo spettro Nuovo spettro e nuove tecniche radio per aumentare la capacità per utente Rete atta al trasporto IP e2e Obiettivo: aumentare l efficienza spettrale Software Defined Radio (SDR): programmare in modo adattativo il funzionamento del sistema radio Agile Radio (def. ITU): si trasmette su una banda qualsiasi non utilizzata, passando ad altra banda se si rileva segnale Cognitive Radio: sistema che si adatta alle condizioni del canale in cui lavora Antenne Intelligenti (o adattative): User data stream Sistemi di diversità spaziale con capacità elaborativa usata per adattare le caratteristiche della comunicazione radio alle condizioni del canale (traffico, interferenza, rapporto segnale/rumore) MIMO: Multiple In Multiple Out.. s 1 s 2.. s M s Transmitted vector h 11 h 12.. Channel Matrix H y 1 y 2 y M.. y Received vector User data stream

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