Università di Genova Facoltà di Ingegneria

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1 Università di Genova Facoltà di Ingegneria Reti di Telecomunicazioni e Telemedicina 1 6. Wireless (Radiomobile e WLAN) Prof. Raffaele Bolla Wireless! Le reti wireless sono reti in cui i terminali accedono alla rete tramite canali senza fili (radio in genere).! Le reti radiomobili sono reti wireless dove i terminali utenti possono spostarsi sul territorio senza perdere la connettività con la rete.! Le reti cellulari sono reti radiomobili la cui copertura geografica è ottenuta con una tassellatura di aree adiacenti e/o sovrapposte dette celle.! Le Wireless LAN (WLAN) sono reti wireless che forniscono coperture e servizi tipici di una LAN. 2 Punto di accesso fisso Autoconfiguranti! I terminali mobili (Mobile Station, ) non comunicano mai direttamente ma sempre tramite un stazione fissa (Base station, BS) di riferimento.! I terminali (sia mobili che non) comunicano direttamente fra loro creando una rete autoconfigurante (ad hoc network). Uno o più terminali fissi fanno da gateway verso altre reti.! Se i vari terminali possono funzionare anche da nodi di transito l architettura viene detta di tipo peer-to-peer. Verso altre reti o BS BS Ad altre reti 3 4 Reti cellulari Reti Cellulari! La velocità di trasmissione nelle reti wireless è limitata dalla porzione di spettro disponibile.! Per servire un numero elevato di utenti, come nel caso Base Station della telefonia mobile, una soluzione consiste il territorio in aree dette celle, ed assegnare ad ogni cella uno spazio dello spettro (canali in frequenza). Can Can ! Questa suddivisione spaziale permette un riuso delle frequenze (riutilizzare gli stessi canali in celle diverse), Can. 1-7 Can Can che deve essere fatto in modo da minimizzare Can l interferenza tra celle vicine; il risultato è un significativo Can aumento della capacità totale disponibile.! La struttura delle reti cellulari prevede un punto di La rete vera e propria resta in effetti una rete cablata, solo accesso fisso (Base Station) per ogni cella ed ogni cellulare l accesso è wireless utilizza la BS della cella in cui al momento risiede. 5 6

2 Reti Cellulari Cluster! L'efficienza nelle reti cellulari viene misurata essenzialmente in base al riuso dei canali radio disponibili in celle adiacenti.! Se si potessero riusare tutti i canali in ciascuna cella si avrebbe efficienza unitaria.! Le celle vengono organizzate in cluster" di N celle: all'interno di un cluster, ciascuna cella utilizza un sottoinsieme unico di canali.! La dimensione del cluster è una misura dell'efficienza del sistema: più sono grossi i cluster (cioè più celle li compongono) meno efficiente è il sistema. Sistemi analogici con accesso FDMA (AMPS, TACS, NMT): cluster di 19 o 21 celle Sistemi numerici con accesso di tipo TDMA o misto FDMA/TDMA (, D-AMPS, JCD): cluster di 7 o 9 celle Sistemi numerici con accesso CDMA (IS-95): cluster di 1 cella (almeno in linea di principio) 7 49 Canali totali disponibili Can Can Can Can. 1-7 Can Can Can Can Can Can Can Can Can Can Can. 1-7 Can Can Can Can Can Can Can Can Can Can. 1-7 Can Can. 1-7 Can Can Can Can Can Cluster di 7 celle 8 Rete Cellulare Rete cellulare! Consideriamo una superficie da servire di km 2 (corrispondente circa alla superficie dell Italia comprese le acque territoriali), ed indichiamo con R il raggio della cella, A la sua area, N il numero totale delle celle.! Supponiamo di avere a disposizione 490 canali (ogni canale corrisponde allo spazio in freq. necessario ad una conversazione telefonica) e cluster di 7 celle (quindi 70 canali per cella): Con un unica cella potremmo avere al massimo 490 conversazioni contemporanee Con R = 60 Km avremmo per ogni cella (supponiamo celle uguali) A = 60 2 *!! Km 2, quindi N = /11.000! 36 quindi un totale di 36*70 = 2520 conversazioni contemporanee. Con R=10 Km avremmo A! 314 Km 2, N = /314! 1274, e quindi N= 1274*70 = conversazioni contemporanee. Con R=1 Km avremmo A! 3,14 Km 2, N = /3,14! , e quindi N= *70 = conversazioni contemporanee.! Ovviamente il complessivo aumento di capacità con celle di egual superfice viene realmente sfruttato solo se l utenza risulta equamente distribuita sul territorio.! Se per assurdo, tutti gli utenti si concentrassero in una cella, in realtà negli esempi precedenti il numero massimo di conversazioni si ridurrebbe comunque a 70.! Per mantenere alta l efficienza le celle vengono realizzate di dimensioni più piccole in corrispondenza di aree con elevata concentrazione di utenza (centri abitati, strade) Rete cellulare Rete cellulare! Le celle di copertura non sono necessariamente cerchi (o esagoni) regolari tutte delle stesse dimensioni! L'effettiva dimensione della cella è determinata dalla potenza degli apparati, dai ritardi di propagazione e dalla densità di traffico.! E possibile usare antenne direzionali per avere celle di forma e dimensione particolare! E possibile avere celle di dimensione (e forma) diversa per esigenze diverse! E possibile avere celle stratificate (celle a ombrello) Gigacells National and International Zones Macrocells Regions an rural areas Km Microcells Highway, city centres Km 11 Picocells Buildings and home m. 12

3 Rete Cellulare Handoff (o Handover) Evoluzione delle reti radiomobili! E la procedura che consente il trasferimento di una chiamata da una cella alla successiva, mentre il terminale mobile si sposta all'interno della rete.! Di fatto e l'elemento distintivo tra le reti cellulari ed ogni altro tipo di rete di TLC! E una operazione complessa che pone alla rete notevoli requisiti in termini di architettura di rete, di protocolli e di segnalazione per la gestione delle procedure connesse agli handover Generazione - Analogici - Elevati consumi - Bassa capacità - Solo voce AMPS RMDS ETACS 2 Generazione - Digitali - Voce compressa - Dati - Maggiore capacità - Maggiore autonomia 1990 IS-54 DCS-1800 IS Pre-cellulari Cellulari Evoluzione delle reti radiomobili La storia 3 Generazione - Servizi multimediali - Mobili Veloci 144 Kb/s - Mobili Lenti 384 Kb/s - Uffici 2 Mb/s - Pacchetto e circuito - Collegamenti asimmetrici - Flessibilità ed efficienza 4 Generazione - Larga Banda (! 2 Mb/s) Universal Mobile Telecommunication Systems (UMTS)! 1982: la CEPT (Conference Europeenne des Administrations des Postes et des Telecomunications) istituisce un gruppo speciale per lo studio di un insieme uniforme di regole per lo sviluppo di una futura rete cellulare pan-europea: il Groupe Special Mobile da cui! 1984: istituzione di 3 Working Parties (WP3) per la definizione dei servizi da fornire in : l'interfaccia radio, i formati di trasmissione e i protocolli di segnalazione, le interfacce e l'architettura di rete! 1985: definizione della lista di raccomandazioni che il deve produrre (finiranno per essere circa 130: 5000 pagine in 12 volumi!)! 1986: viene istituito il cosiddetto nucleo permanente con lo scopo di coordinare il lavoro del, soprattutto visto il forte interesse da parte dell'industria Future Public Land Mobile Telecomm. Systems /International Mobile """Telecomm (FPLMTS/IMT-2000) La storia La storia! 1987: viene firmato un primo Memorandum of Understanding (MoU) tra operatori Telecom in rappresentanza di 12 Nazioni (europee) con i seguenti obbiettivi: co-ordinare lo sviluppo temporale delle reti europee e verificarne il loro standard pianificare l'introduzione dei servizi concordare politiche di instradamento e la tariffazione (modalità e prezzi)! 1988: con l'istituzione di ETSI (European Telecommunication Standards Institute) il lavoro relativo a viene spostato" in questo foro! 1990: viene deciso di applicare le specifiche anche al sistema DCS1800 (Digital Cellular System on 1800 MHz), un sistema di tipo PCN (Personal Communication Networks) inizialmente sviluppato in U.K.! 1991: (luglio) il lancio commerciale del, pianificato per questa data, viene rimandato al! 1992 per la mancanza di terminali mobili conformi allo standard (?!?)! 1992: viene rilasciato lo standard definitivo relativo a, che a questo punto diventa l'acronimo di Global System for Mobile communications! 1992: introduzione ufficiale dei sistemi commerciali! 1993: il MoU di raccoglie 62 membri di 39 paesi; inoltre altre 32 organizzazioni in rappresentanza di 19 paesi partecipano come osservatori in attesa di firmare il MoU! 1993{98: rapidissimo sviluppo dell'utenza e notevole miglioramento della qualità del servizio offerto, nonchè del numero di servizi offerti 17 18

4 Struttura della trama Struttura della rete time slot = bits = 577!s tasso = kbit/s 3 57 bits bits 3 8,25 trama = 8 slots = 4.62 ms multitrama = 26 trame = 120 ms * * *: Informazione di controllo 19 BTS BTS BTS BSC BSC BSS BSC NSS HLR AuC VLR EIR C VLR OMC GC OS Rete Telefonica PSTN 20 Canali di Traffico (TCH, Traffic Channels) La trasmissione dati su reti radio mobili cellulari! Ci sono due velocità di riferimento Full Rate: 22.8 Kbps Half rate: 11,4 Kbps! L effettivo tasso trasmissivo disponibile dipende poi dal grado di protezione imposto! A livello base le comunicazioni avvengono tutte nella forma a commutazione di circuito! Si hanno Canali voce» Full a 13 Kpbs» Half a 6,5 Kbps Canali dati» Full 2,4; 4,8; 9,6 o 14 Kbps» Half: 2,4 4,8 Kbps 21! Le reti radiomobili cellulari nascono per fornire servizi telefonici tradizionali! Per il trasporto dei dati è inizialmente solo prevista la modalità a commutazione di circuito che in pratica fornisce un servizio simile a quello ottenibile con un modem su la rete telefonica tradizionale (anche se con velocità ridotta ad un terzo circa).! Una volta consolidato il successo di questa tecnologia, è apparso subito necessario sviluppare in modo più adeguato il supporto al traffico dati 22 La trasmissione dati su reti radio mobili cellulari General Packet Radio Service (GPRS)! Tale sviluppo è avvenuto tramite due strade: Incremento del tasso trasmissivo disponibile istantaneamente al singolo utente (HSCSD, EDGE, GPRS) Introduzione di meccanismi a commutazione di pacchetto (GPRS)! L obiettivo di questo standard è introdurre nel un supporto ad un servizio a commutazione di pacchetto! La struttura della rete tradizionale è troppo orientata al servizio telefonico per poter supportare tale cambiamento! Per cui la scelta è stata affiancare alla rete tradizionale una rete a pacchetto opportunamente strutturata limitando l effettiva convivenza dei due tipi di traffico alla e al BSS.! Inoltre è stata introdotto l uso dinamico ed adattativo delle slot per cui potenzialmente ogni stazione mobile potrebbe utilizzare per la propria comunicazione dati l intero canale radio di 8 slot moltiplicando per 8 il tasso trasmissivo massimo potenziale

5 Velocità trasmissive teoriche Velocità trasmissive teoriche Schema di codifica CS-1 CS-2 CS-3 CS-4 Bit RB Bit BCS USF+ separazio ne Code rate 1:2 (456) 2:3 (588) 3:4 (676) 1:1 (456) Bit rate per slot (Kbps) 9,05 13,4 15,6 21,4 Bit rate massimo totale (su 8 slot) 72,4 107,2 124,8 171,2 25! La trasmissioni può avvenire su più canali e quindi su più slot contemporanee per trama fino ad occuparle tutte 8.! Ma è anche prevista l operazione inversa, ossia fino a 8 possono condividere lo stesso canale (singola slot) Class Dynamic Download Upload Max Combinations 1 No (1+1) 2 No (2+1) 3 Si (2+1) (1+2) 4 No (3+1) 5 No (2+2) 6 Si (3+1) (2+2) 7 Si (3+1) (2+2)... 8 No (4+1) 9 No (3+2) 10 Si (4+1) (3+2) 11 Si (4+1) (3+2) Si (4+1) (3+2) Terminali GPRS Prestazioni attuali! Le possono appartenere ad una delle tre classi: Classe A: in grado di gestire contemporaneamente comunicazioni voce e GPRS Classe B: in grado di registrarsi e realizzare entrambe le comunicazioni ma solo una alla volta Classe C: in grado di realizzare solo comunicazioni GPRS! In linea di massima gli operatori tendono a utilizzare le codifiche CS-2 o CS-3.! Le comunicazioni voce hanno sempre la priorità! I terminali sono per la maggioranza di classe B-6 o B-10.! Quindi la velocità media ottenibile attualmente su una rete non troppo carica di comunicazioni telefoniche si aggira sui kbps di picco Enhanced Data rate for Evolution (EDGE) Enhanced Data rate for Evolution (EDGE)! I singoli canali in frequenza hanno una larghezza di 200 KHz.! La modulazione in uso nel tradizionale permette il trasporto di un bit a simbolo.! EDGE in sostanza modifica solo la modulazione, introducendo una modulazione multistato e quindi portando il bit rate disponibili a triplicare nel caso più favorevole.! LA struttura dei burst rimane la stessa di prima, ma i bit vengono sostituiti da simboli.! Caratteristiche Banda del singolo canale radio 200 KHz Numero di slot per trama: 8 Durata della trama 4,615 ms Symbol rate 270Ksimboli pari a» 384 Kbps per velocità fino a 100 km/h» 144 Kbps per velocità da 100 a 250 Km/h» Il standard ha 116 Kbps Campo informativo del normal burst 384 bit Bit rate massimo per slot (lordo) 59,2 Kbps ( 24,7 Kbps) Max tasso per trama 473,6 Kbps ( 182) 29 30

6 UMTS (IMT-2000) Le velocità di trasmissione UMTS (IMT-2000) Le velocità di trasmissione! Dalla teoria dell informazione, la velocità massima di trasmissione è proporzionale: alla banda disponibile; al rapporto segnale/rumore (potenza di trasmissione).! La banda di solito è limitata da considerazione di natura non tecniche.! La potenza di trasmissione è limitata dalla presunte interazioni con l organismo umano; dalla durata delle batterie.! La mobilità disturba ulteriormente la trasmissione.! Vengono individuati tre scenari tipici: macro celle (aree rurali);» velocità di spostamento elevatissime (fino a 500 Km/h);» massimo tasso di trasmissione: 144 kbps; micro celle (aree urbane)» velocità pedestri o veicolari lente ;» massimo tasso di trasmissione: 384 kbps; pico celle (ambienti interni)» mobilità sostanzialmente nulla;» massimo tasso di trasmissione: 2 Mbps WirelessLAN WLAN-IEEE Architettura - Indipendente! Si tratta di reti in area locale in cui i le stazioni terminali (e talvolta anche i nodi intermedi) usano collegamenti senza fili.! Sono anch esse pensate come reti mobili, ma la mobilità è in genere intesa come relativamente lenta.! Il loro scopo è quello sia di agevolare i cablaggi che liberare gli utenti da postazioni di lavoro fisse.! Ad hoc network! Comunicazioni dirette! Copertura limitata WLAN-IEEE Architettura - Infrastructura Extended Service Set! Infrastruttura: Access Point (AP) e Stazioni! Il Distribution System (DS) interconnette le diverse celle (Basic Service Set - BSS) attraverso gli AP per formare un Extended Service Set (ESS): La connessione fra può essere sia wireless che wired. la struttura interna del DS non è definita dallo standard! Una stazione, detta Portal, presente sul sistema di distribuzione interconnette la WLAN con altre reti.! All interno di un ESS, i diversi BSS fisicamente possono essere locati secondo diversi criteri: BSS parzialmente sovrapposti» permettono di fornire una copertura continua; BSS fisicamente disgiunti BSS co-locati (diversi BSS nella stessa area)» possono fornire una ridondanza alla rete o permettere prestazioni superiori

7 Mobilità Struttura dello standard! L gestisce la mobilità delle stazioni distinguendo tre tipi di transizioni: Statica: la stazione è immobile o si sposta solo entro l area di un singolo BSS; Transizione tra BSS: in questo caso la stazione si sposta tra due diversi BSS parzialmente sovrapposti appartenenti allo stesso ESS» il MAC è in grado di gestire questa situazione in maniera trasparente per i livelli superiori; Transizione tra ESS: la stazione si sposta tra BSS appartenenti a due ESS diversi» la stazione può muoversi, ma il MAC non è in grado di mantenere la connettività. MAC PHY Point Coordination Function (PCF) FHSS DSSS Infrared Logical Link Control Servizio senza contesa Distributed Coordination Function (DCF) OFDM (802.11a) Servizio a contesa DSSS (802.11b) OFDM (802.11g) Ghz 1-2 Mbps 2.4 Ghz 1-2 Mbps 1-2 Mbps 5.5 Ghz 6-54 Mbps 2.4 Ghz Mbps 2.4 Ghz 6-54 Mbps 38 Livello Fisico Livello Fisico! Velocità di trasmissione! Aree di copertura le specifiche originali prevedevano la con antenne omnidirezionali: trasmissione a 1 e 2 Mb/s» mt per b;» nella banda ISM 2.4 GHz per i sistemi radio;» ad una lunghezza d onda tra 850 e 950 nm per i»15-30 mt per a/g; sistemi ad infrarossi; con antenne direzionali (collegamenti punto-punto) ad lo standard b porta la velocità a 5.5 e 11 Mb/s per alto guadagno é possibile arrivare fino a 40 Km. i sistemi radio! Bande di trasmissione utilizzate:» utilizza ancora la banda ISM 2.4 GHz; ISM 2.4 GHz, GHz; con l introduzione dell a le velocità ammesse 5 GHz, GHz. sono 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 e 54 Mb/s! Tecniche di trasmissione:» 6, 12 e 24 sono obbligatorie; Spread Spectrum: FHSS, DSSS;» la banda utilizzata è intorno ai 5 GHz. OFDM g permette le stesse velocità dell 11a ma nella banda del 11b (2.4 GHz) Livello di Linea MAC Livello di Linea MAC! La trasmissione wireless è decisamente inaffidabile! La tecnica di contesa scelta è denominata Carrier il controllo di errore dei livelli superiori (TCP) richiede Sense Multiple Access / Collision Avoidance timer dell ordine dei secondi; (CSMA/CA). risulta più efficiente incorporare un controllo di errore anche nel MAC.! Due funzionalità presenti! specifica quindi un protocollo per la trasmissione Distribution Coordiantion Function dei frame: trasmissione del frame da parte della sorgente;» realizza il meccanismo di MAC in forma invio di un ACK da parte del ricevitore; completamente distribuita; questo scambio è considerato come una operazione Point Coordination Function unica, che non deve essere interrotta dalle altre stazioni» versione centralizzata per permettere le» l ACK deve essere inviato entro un tempo detto SIFS; realizzazione di servizi delay bounded.» le stazioni non possono iniziare una nuova trasmissione in tale intervallo temporale

8 Livello di Linea MAC - DCF Livello di Linea MAC - Inter Frame Spaces (Distributed InterFrame Space)! SIFS (Short Inter Frame Space) - separa la trasmissione di pacchetti appartenenti allo stesso dialogo (es. Pacchetto + ACK). Viene calcolato in base ai tempi necessari agli apparati hardware per commutare tra tx/rx.! PIFS (Point Coordination Inter Frame Space) è utilizzato dal Point Coordinator per gestire il polling. È pari allo SIFS + il tempo di una slot.! DIFS (Distributed Inter Frame Space) - il tempo che una stazione deve attendere prima di accedere al canale. Corrisponde al PIFS + il tempo di una slot.! EIFS (Extended Inter Frame Space) - utilizzato da una stazione che non riceve correttamente il pacchetto per non collidere con un pacchetto successivo appartenente allo stesso dialogo la stazione potrebbe non aver ricevuto correttamente l informazione relativa al Virtual Carrier Sense Sicurezza ! Un aspetto fondamentale nelle WLAN è rappresentato dalla sicurezza l utilizzo delle onde radio non permette di controllare in modo preciso l estensione fisica della rete.! Due sono gli aspetti legati alla sicurezza: prevenire l utilizzo da parte della rete da parte di stazioni non autorizzate; evitare l ascolto del traffico della LAN da parte di stazioni esterne.! Lo standard presenta meccanismi di protezione non completamente adeguati autenticazione» Open Authentication e Shared Key; cifratura» WEP! Entrambi i meccanismi hanno come obiettivo quello di fornire un livello di protezione equivalente a quello delle reti cablate in molte situazioni questo non può essere considerato sufficiente; esistono varie tecniche attraverso le quale è possibile violare con successo questi meccanismi di protezione.! Lo standard prevede una serie di emendamenti addizionali oltre a quelli precedentemente introdotti: d: Specification for Operation in Additional Regulartory Domains; f: IEEE Recommended Practice for Multi-Vendor Access Point; Interoperability via an Inter-Access Point Protocol Across Distribution Systems Supporting IEEE Operation; h: Spectrum and Transmit Power Management Extensions in the 5GHz band in Europe; k: Radio Resource Measurement.! Altri emendamenti devono essere ancora approvati: e: Quality of Service (QoS) Enhancements; i: Authentication and Security; j: 4.9 GHz-5 GHz Operation in Japan; n: Estensione per portare la velocità massima a 108 Mbps Bluetooth Bluetooth! Tecnologia per il rimpiazzo dei cavi collegamento universale al posto del cablaggio proprietario; collegamento di apparati» PC, stampanti, modem, telefoni fissi e cellulari, palmari; copertura limitata (in genere una stanza)» 10 m, con apparati che possono arrivare fino a 50 m; velocità 1 Mb/s (2M/s).! Realizza quella che talvolta viene chiamata Personal Area Network (PAN).! Unico chip per radio + banda base minor consumo di potenza, minor prezzo.! Perché non usare le WirelessLAN (802.11)? consumo; prezzi

9 Utilizzo di Bluetooth Applicazioni Bluetooth! Sincronizzazione sincronizzazione automatica di calendari, rubriche, biglietti da visita; anche tra apparati simili; funzionamento in prossimità, senza necessità di cavi. Sostituzione del cablaggio Reti Ad-hoc Accesso ad Internet 49! Cuffie radio accesso a diversi dispositivi; vantaggi dell utilizzo delle cuffie» guida di veicoli;» piena operatività di entrambe le mani. 50 Bluetooth ! Il nome "Bluetooth" deriva dal nome del re Danese Harald Blatand (vissuto intorno al 10 Secolo) o Harold Bluetooth in Inglese.! La prima versione dello standard è la 1.0 (Luglio 1999) che è uscita in tre varianti 1.0, 1.0a e 1.0b (Dicembre 1999).! La seconda versione è la 1.1 (Febbraio 2001) le cui differenze dalla versione precedente sono legate sostanzialmente alla correzione di alcuni problemi specifici evidenziatesi durante l uso, e una ottimizzazione delle prestazioni! Nel Giugno 2002, l IEEE ha prodotto una propria versione dello standard 1.1 denominata ! Nel novembre 2003 è uscita la versione 1.2.! La descrizione seguente è basata principalmente sullo standard 1.1! Rappresenta l evoluzione di Bluetooth v. 1.1 livello RF; livello di banda base (FEC, CRC, ARQ, cifratura); livello link manager (gestione link SCO e ACL, gestione del traffico e dei link, power management); livello L2CAP (multiplexing, SAR).! WPAN/Bluetooth.! Unlicensed Band Coexistence.! High Rate WPAN (20+ Mbps).! Low Rate WPAN (< 200 kbps) Cos!è Bluetooth Applications TCP/IP HID RFCOMM Software Data Control! Una struttura per le applicazioni. Audio L2CAP Link Manager Baseband RF Hardware! Una specifica per i dispositivi hardware. 53