Classificazione delle reti wireless

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1 1 Classificazione delle reti wireless Wireless nelle reti di comunicazione Infrastrutture di base per assicurare la connettività Comunicazioni persona-persona (P2P), persona-macchina (P2M) e macchinamacchina (M2M) Flessibilità di impiego nelle reti di trasporto e nelle reti di accesso Rapida riconfigurazione delle connessioni Scalabilità delle reti e del traffico Wireless nelle reti di sorveglianza e controllo Ancora poco diffuse ma numerose applicazioni nel futuro (automazione delle attività umane, del controllo a distanza dei processi e dei sistemi, della supervisione dell ambiente, ) Largamente basate sulla connessione in rete tra sensori e sul collegamento tra questi e centri di controllo dedicati I tempi della diffusione su larga scala dipendono dall avvento delle tecnologie pervasive ( Internet of things ) Concetto di spazio individuale

2 2 Classificazione delle reti wireless Low data rate, LDR Applicazioni per il controllo remoto, per la localizzazione e per l identificazione Velocità fino a qualche centinaio di kbit/s Medium data rate, MDR Applicazioni di cable replacement Velocità fino a qualche Mbit/s High data rate, HDR Integrazione o sostituzione della rete locale (Ethernet) cablata Velocità anche oltre 10 Mbit/s Very high data rate, VHDR Distribuzione di video ed audio ad alta qualità (broadcasting HDTV) Velocità fino a 100 Mbit/s Collocazione dei sistemi nel piano banda-distanza

3 3 Classificazione delle reti wireless Reti wireless WAN MAN LAN PAN BAN Applicazione Reti cellulari Reti di trasporto e backbone per le reti cellulari Reti interne agli edifici Rimpiazzo dei cavetti e piccole reti Reti di dispositivi d utente Distanza/ Anche Fino a qualche Fino al centinaio Fino ad alcuni metri Centimetri o centinaia decina di km di metri meno Copertura di km Larghezza di banda Dai kbit/s ai Mbit/s Dai Mbit/s alle decine di Mbit/s Decine di Mbit/s Da centinaia di kbit/s ai Mbit/s Fino a qualche Mbit/s Esempi di sistemi standardizzati GSM/UMTS WiMAX Wi-Fi Bluetooth Non disponibili

4 4 Sistema Wi-Fi Standard Wi-Fi(famiglie IEEE ) Prolungamento wireless della LAN di ufficio e successivamente per servizi a banda larga Impiego in varie bande: es. banda 2,4 GHz(ISM, ossia priva di licenza) e 5 GHz Bit rate fino a 11 Mbit/s e fino a 54 Mbit/s (limiti teorici) SISTEMA DI DISTRIBUZIONE INTERNET AP A AP B BSS-A T A1 TA2 Rete ad-hoc T B1 T B2 T C1 Rete infrastrutturata BSS-B T C2 BSS-C Legenda: BSS: basic service set AP: access point T: terminale

5 Sistema WiFi Caratteristiche tecniche dello standard 5 Wi-Fi Std. IEEE b/g a Banda di frequenza (GHz) 2,4 2,4835 5,150-5,250 e 5,470-5,725 Larghezza del canale 20 MHz (Parz. Sovrap.) 20 MHz (non sovrap.) Numero di canali Duplex Accesso multiplo TDD CSMA/CA Modulazione DSSS/OFDM OFDM Qualità di servizio Mobilità Copertura radio (indoor) No No Fino a 100 m Potenza max (dbm) Ritmo binario (Mbit/s) 11 (std. b ) / 54 (std. g ) 54

6 Standard wireless in ambito ETSI 6 HiperLAN1/2 Accesso a corto raggio via radio a reti locali cablate Ethernet, ai protocolli IP e ATM, e al sistema radiomobile UMTS Frequenza di trasmissione 5 GHz con valore massimo di ritmo binario di 54 Mbit/s HiperACCESS Per interconnessioni fisse PMP Frequenze superiori a 11 GHz con velocità di trasmissione fino a 120 Mbit/s HiperMAN Accesso a larga banda ad utenza fissa mediante soluzioni wireless Compatibile con lo standard WiMAXper le applicazioni MAN Frequenze inferiori a 11 GHz Un architettura di riferimento

7 Standard wireless in ambito ETSI 7 Hiper* Servizio Vel. (Mbit/s) *LAN/1 *LAN/2 *ACCESS *MAN Freq (GHz) Comunicaz. tra terminali portatili m Comunicaz. in uffici, scuole, hotspot Accesso PMP (traffico tra edifici stessa azienda) Accesso wireless a larga banda m , 28, 32, (princ. 3,5) Dist. Mod. Accesso Commenti Grandi dist. 2-4km (NLOS) <10km (LOS) FSK, GMSK BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM OFDM EY-NPMA (garantisce poche coll) TDMA TDD, FDD, H-FDD con canali di 28 MHz - Rete flessibile senza struttura cablata - servizi multimediali - Garanzia di QoS - interconnessione con reti IP, ATM, UMTS - Alternativa alla xdsl - Rapida installazione - Meccanismi di sicurezza - Garanzia di QoS - Categorie di serv. - Meccanismi di sicurezza - Configurazione Mesh Caratteristiche tecniche della famiglia degli standard HiperLAN

8 8 Sistema WiMAX Caratteristiche del sistema: Accesso wireless a larga banda per l ultimo miglio Vantaggi: Costi ridotti Flessibilità nell erogazione del servizio Rapidità di installazione Architetture: punto-multipunto (PMP), a maglia (Mesh) CPE SRB POP Anello in fibra { { Legenda: POP: Point of Presence SRB: Stazione Radio Base CPE: Customer Premises Equipment Accesso (punto-multipunto) Backhaul (punto-punto) Configurazione di sistema WiMAX con architettura PMP

9 Sistema WiMAX Caratteristiche tecniche dello standard 9 WiMAX IEEE IEEE Num. profili 5 1 Bande freq. licensed, da 2 a 11 GHz licensed, 2-6 GHz Canale/MHz 1,75 ; 3,5 ; 7,0 ; 10,0 ; 20,0 1,25 ; 5,0 ; 10,0 ; 20,0 Duplex FDD/TDD FDD/TDD Accesso multiplo TDMA, OFDMA TDMA, SOFDMA Tecn. trasm. OFDM (256 sottoportanti) SOFDMA (512, 1024 sottoport.) Mod./cod. AMC (Mod.: QPSK, 16-QAM, 64-QAM Cod.: diversi rate n/k) QoS Sì Sì Mobilità No Sì Copertura radio Fino a 10 km Fino a 10 km Throughput Max teorico: 20 Mbit/s (LOS e canale di 10 MHz) 4 Mbit/s fino a 5-6 km (LOS e canale di 3,5 MHz) 1 Mbit/s fino a 1 km (NLOS) Fino a 50 Mbit/s (Fino a circa 1 km, velocità max 60 km/h)

10 Sistema GSM 10 Standard cellulare numerico di 2 a generazione Voce, dati a basso ritmo, SMS Con GPRS, dati fino a 144 kbit/s; Oltre 2 miliardi di utenti sparsi in tutti i continenti

11 Sistema UMTS 11 Standard di 3 a generazione basato sulla tecnica cellulare Servizi multimediali (voce, dati, video, etc.) Bit rate: da poche decine di kbit/s fino a qualche centinaio di kbit/s (indoor) 4 classi di servizio per la QoS (dal best effort a qualità garantita) HLR U u NODE B NODE B I ub I ub I ub UTRAN RNC CS I u VLR U-MSC U-GMSC PSTN/ISDN NODE B PS I u I ur G s UE NODE B NODE B I ub I ub RNC PS I u CS I u U-SGSN G n U-GGSN Packet networks UTRAN ACCESS NETWORK CORE NETWORK

12 Sistema UMTS 12 Evoluzionedel sistemaumts: HSxPA(High Speed x Packet Access) HSDPA operativo prima, HSUPA dopo Per HSDPA: Velocità aggregata in downlinkdi 5,4 Mbit/s, con valori di bit-rate per il singolo utente tra 800 kbit/s e 3 Mbit/s e con un picco di 14,4 Mbit/s Nuovi servizi di trasmissione dati a pacchetto asimmetrici ad alta velocità (simile a DSL delle reti fisse), tra cui i servizi di streaming audio/video, i servizi interattivi e i servizi FTP/ HSUPA supporta 1,4 Mbit/s e 5,8Mbit/s di picco Vantaggi: aumento della larghezza di banda a disposizione e riduzione dei tempi di latenza Legenda: x = D (downlink, cioè dalla stazione fissa al terminale) oppure x= U (uplink, cioè dal terminale alla stazione fissa)

13 Sistema UMTS 13 Femtocelle : Piccole stazioni radio per l interfaccia con le reti broadband (xdsl/cable modem) in ambienti indoor Vantaggi: migliore copertura indoor altissima capacità tariffazione fissa a casa unico terminale (no dual-mode ) Femto BTS (dimensioni di AP WiFi) Copertura macro/micro Copertura femto

14 Caratteristiche dell interfaccia radio e accesso al mezzo 14 Copertura con singola stazione radio base Collegamenti diretti tra coppie di terminali mobili esclusi perché richiederebbero livelli di potenza non compatibili con dimensioni contenute degli apparati portatili e prolungata autonomia delle batterie Reti radiomobili pubbliche: architetture dotatedi infrastruttura; alla stazione radio base demandati i compiti della copertura radio di una regione di servizio elementare e interconnessione con gli organi di rete. Copertura elementare di una SRB detta cella; la configurazione impiegata per i sistemi radiomobili commerciali detta configurazione cellulare Due sottosistemi: interfaccia radio e nucleo di rete tratta in salita (o di up-link) per le comunicazioni dai TM alla SRB tratta in discesa (o di down-link) per le comunicazioni in senso opposto (frequenze differenti) Uplink (tratta in salita) Area di copertura Stazione radiobase Reti di telecomunicazione Downlink (tratta in discesa) Terminale mobile Copertura di una stazione radiobase e comunicazione in up-link e in down-link con terminali mobili Interfaccia radio Nucleo di rete

15 Caratteristiche dell interfaccia radio e accesso al mezzo 15 Copertura con SRB multiple: architettura di riferimento radiomobile Architettura di rete del sistema radiomobile: distingue interfaccia radio e nucleo di rete Organi di rete in ordine gerarchicamente crescente: terminale mobile (TM), stazione radio base (SRB), controllore di stazione radio base (CSRB), centro di commutazione di rete radiomobile(ccrr) SRB TM CSRB CSRB Centro di commutazione di rete radiomobile (CCRR) Rete Terminale mobile (TM) Stazione radio base (SRB) Interfaccia radio Nucleo di rete

16 Propagazione nelle reti mobili 16 Ambienti della propagazione radiomobile ambienti dotati di caratteristiche molto varie forte scostamento dalle leggi della propagazione in spazio libero ruolo predominante assunto da fenomeni che nei ponti radio tra punti fissi sono controllati Ponti radiomobili: un modello più appropriato tiene almeno conto della riflessione del terreno, in tutti i casi in cui sia piccola la quota a cui è collocato almeno uno dei due terminali (l attenuazione varia con la quarta potenza di d) Inapplicabilità degli approcci deterministici a causa della complessa combinazione degli effetti della propagazione reale Meccanismi che regolano la propagazione delle onde e.m.: Riflessione(speculare), R: ostacoli con dimensioni caratteristiche molto maggiori di λ (ad es., pareti degli edifici); vale la legge di Snell, Diffusione(o scattering ), S: ostacoli con dimensioni comparabili o minori di λ(ad es., vegetazione) Diffrazione, D: percorso radio tra emettitore e ricevitore ostruito da ostacoli (ad es. spigoli); assenza di percorso in linea di vista (non lineof sight, NLOS); si può applicare la GTD (geometricaltheoryofdiffraction). I tre meccanismi di propagazione presenti nel canale radiomobile

17 Propagazione nelle reti mobili 17 Canale radiomobile negli spazi esterni (outdoors) fondamentale importanza nello studio sia delle tecniche PHY, modulazione e codifica, che delle tecniche MAC (accesso multiplo) mezzo radio intrinsecamente un mezzo broadcastnel quale, almeno in linea di principio, tutti ascoltano tutti Trasmissioni multiple simultanee producono interferenze e degradazione delle comunicazioni Le prestazioni del MAC in un mezzo broadcast dipendono essenzialmente dalle tecniche di accesso multiplo al canale. In aree urbane a densa edificazione spesso non è presente il cammino radio diretto (NLOS) Connessione tramite cammini multipli (multipath), e fluttuazione casuale marcata del livello istantaneo di potenza Studio del canale radiomobile basato su modelli di propagazione che cercano di predire il valore mediano(superato nel 50% del tempo e dei luoghi) della potenza del segnale ricevuto in funzione di distanza, frequenza e numerosi altri parametri (modelli su larga scala) Potenza ricevuta da un terminale mobile in funzione del tempo e della distanza tra trasmettitore e ricevitore (velocità radiale costante)

18 Propagazione nelle reti mobili 18 Movimento su distanze piccole (fino a qualche decina di λ): la potenza del segnale fluttua rapidamente; modelli di propagazione con validità locale, o modelli su piccola scala. La fluttuazione rapida è determinata dalla somma vettoriale dei campi riflessi, diffrattie diretto, se presente. La potenza istantanea ricevuta può fluttuare molto (anche oltre 20 db) con spostamenti di piccola entità Movimento lungo un percorso più esteso (qualche centinaio di λ): lenta fluttuazione aleatoria della potenza media ricevuta, intesa come valor medio della potenza istantanea (potenza media locale), effetto macroscopico globale della propagazione connesso al graduale mutamento delle condizioni degli ostacoli nell area locale, detto ombreggiamento (o shadowing) A B C D Principio dello shadowing

19 Accesso multiplo e multiplazione 19 L accesso multiplo( multiple access ) si riferisce allo sfruttamento regolamentato di una risorsa comune da parte di diversi utilizzatori distribuiti in differenti luoghi nello spazio (ad es. FDMA, TDMA, CDMA) La multiplazione( multiplexing ) si riferisce ad una combinazione regolamentata di diversi segnali centralizzati in uno stesso luogo nello spazio(ad es. FDM, TDM, CDM) Esempi di sistemi che usano accesso multiplo e multiplazione: - sistemi via satellite - sistemi radiomobili (accesso multiplo nella tratta in salita e multiplazione nella tratta in discesa) Tratta in salita: in questo caso si parla di metodi di accesso multiplo(molti a uno) La gestione deicanalipuòavvenirein modocoordinatoo non coordinato Tratta in discesa: in questo caso si parla di metodi di multiplazione(uno a molti). -La gestione dei canali è di solito coordinata dalla stazione radiobase(srb)

20 Accesso multiplo: classificazione 20 Accesso multiplo in modo coordinato (si evitano le contese tra terminali nell accesso alla risorsa), tecniche prive di contesa ( contentionfree ): accesso multiplo nel dominio della frequenza (canali in frequenza) o FDMA (Frequency Division Multiple Access) accesso multiplo nel dominio del tempo (canali in tempo) o TDMA (Time Division Multiple Access) Separazione tramite codici o CDMA (Code Division Multiple Access) Accesso a contesa determina interferenza Privo di contesa Accesso casuale Rivelazione di portante (carriersensing) CSMA, etc. A contesa Uso di pacchetti di controllo Prenotazione e risoluzione dei conflitti Pacchetti di controllo e Classificazione delle tecniche di accesso multiplo in relazione al grado di contesa

21 Tecnichediaccessomultiplo Accesso multiplo a divisione di tempo: 21 In ciascuna area di servizio elementare (cella) il terminale accede alla risorsa (stazione radio base) secondo una disciplina nel dominio del tempo TDMA: a ciascun canale è attribuita una diversa finestra temporale Formulazione analitica CODICE CANALE n se s j si ( t) ( t) = 0 0 allora per ogni coppia i, j CANALE 3 CANALE 2 CANALE 1 FREQUENZA + s ( t) s i j ( t) dt = 0 TEMPO Lo slot temporale rappresenta un CANALE

22 Tecnichediaccessomultiplo 22 Struttura di segnale TDMA Trama( frame ): elemento ciclico nella struttura di segnale (preambolo; messaggi; coda) Messaggi: composti di finestre che contengono i payload d utente Finestra( slot ): bit di sincronizzazione, dati di informazione, tempi di guardia TRAMA TDMA (T T ) PREAMBOLO MESSAGGIO BIT DICODA (se previsti) FINESTRA 1 FINESTRA 2 FINESTRA 3 FINESTRA n BIT DITESTA BIT DISINCRONISMO DATI DIINFORMAZIONE ( PAYLOAD ) TEMPO DI GUARDIA Struttura di trama TDMA

23 Tecnichediaccessomultiplo Accesso multiplo a divisione di frequenza 23 In ciascuna area di servizio elementare (cella) il terminale accede alla risorsa (stazione radio base) secondo una disciplina nel dominio della frequenza Formulazione analitica FDMA: a ciascun canale è attribuita una diversa banda di frequenza se S j Si ( f ) 0 allora ( f ) = 0 per ogni coppia i, j CODICE + S ( f ) S * j ( f ) dt teorema di Parseval: i = 0 CANALE 1 CANALE 2 CANALE 3 CANALE n FREQUENZA + s ( t) s i + ( t) dt = s ( t) s i j j + ( t) dt S ( f i = 0 ) S * j ( f ) dt (1) TEMPO S i (f) S j (f) f Il CANALE viene identificato dalla sottobanda allocata

24 Tecnichediaccessomultiplo Accesso multiplo a divisione di codice 24 In ciascuna area di servizio elementare (cella) il terminale accede alla risorsa (stazione radio base) secondo una disciplina nel dominio del codice CDMA Formulazione analitica (caso ortogonale) CODICE in generale s ma i per ogni coppia s i + ( t), s ( t) s ( t) s i j j ( t ) 0 e s ( t ) 0 scelti ( t) dt i, j = 0 j in modo che CANALE 1 CANALE 2 CANALE 3 CANALE n FREQUENZA TEMPO CDMA: ciascun CANALE viene identificato attraverso un codice solitamente rappresentato con una sequenza pseudocasuale (PN)

25 Tecniche di accesso multiplo 25 Tecnichepure e ibride: TECNICHE DI BASE DIVISIONE DI FREQUENZA/CODICE (FD/CDMA) DIVISIONE DI FREQUENZA (FDMA) FREQUENZA TRAMA DIVISIONE DI FREQUENZA/TEMPO/CODICE (FD/TD/CDMA) TEMPO BANDA (DI SISTEMA) DIVISIONE DI TEMPO (TDMA) DIVISIONE DI CODICE (CDMA) DIVISIONE DI FREQUENZA/TEMPO (FD/TDMA) DIVISIONE DI TEMPO/CODICE (TD/CDMA) Nelle tecniche ibride un CANALE può essere ad esempio identificato da: uno slot temporale e da una portante (TDMA/FDMA) da un codice e da una portante (CDMA/FDMA)

26 Concetto cellulare per le reti infrastrutturate 26 Soluzioni per la realizzazione della copertura radio in un area di servizio: Domini radiali disgiunti Copertura cellulare

27 Concetto cellulare per le reti infrastrutturate 27 1 ) FREQUENCY REUSE Riuso di frequenza Celle Area di servizio: A S D 1 A 1 B 1 C 1 E 1 Esempio caso in figura: F R F 1 11 = 9 A 2 G 1 H 1 I 1 D 2 A 1 e A 2 D 1 e D 2 F e R = } m = n regioni che riusano lo stesso insieme di frequenze cell B B cell B B cell = n m cell cluster size (1) (2) Legenda: F R : fattore di riuso nell area di servizio n cell : numero di celle nell area di servizio B: banda assegnata al servizio (uplink o downlink) B cell : banda per cella

28 Concetto cellulare per le reti infrastrutturate 28 2) CELL SPLITTING Suddivisione delle celle A 1 B 1 C 1 D 1 H 3 I 3 E 1 B 6 C 6 A 2 G 1 H 1 I 1 D 2 B 8 C 8 E 8 F 8 G 8 H 8 I G 3 8 A 7 B 7 C 7 A 6 D 7 E 7 F 7 G 7 H 7 I 7 A 3 B 3 C 3 A 4 D 3 E 3 F D 4 3 H 3 I 3 B 6 C 6 D 6 E 6 F 6 G 6 H 6 I 6 G 4 H 4 A 5 B 5 D E 5 5 G 5 H 5 (1) F R = 14 9 A n s = cell cell R = F R Se n cell Φ Fattore di riuso per km 2 υ Numero di celle per km 2 } A s, allora F ( ) R F = 44 9 = 4 (2) (0) R F R

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