Tecnologie wireless del futuro Esperienze di Ricerca Applicata all Istituto Boella

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1 Tecnologie wireless del futuro Esperienze di Ricerca Applicata all Istituto Boella Riccardo Scopigno, Daniele Brevi Istituto Superiore Mario Boella Networking Lab Edoardo Calia, Direttore ISMB 1

2 Introduzione 2

3 Tecnologie wireless SWOT Analysis Strengths Connettività ubiqua Riduzione costi cablaggio Superamento problemi fisici (attorcigliamenti, rotture, usura ) Tecnologia matura Soluzioni std, consolidate, economiche e liberalizzate Opportunities Evoluzione flessibile delle applicazioni Esempio: controllo multipunto Uso di componenti consumer e abbattimento costi Integrazione di soluzioni std in architetture innovative (convergenza) Weaknesses La banda è ancora minore rispetto alle reti cablate La banda è inoltre condivisa ( dominio di collisione ) Intrinseca esposizione alle interferenze Studio preliminare di fattibilità Tecnologie da adattare all applicazione Requisiti real-time Threats Problemi di sicurezza della comunicazione (e-security) Problemi di sicurezza dell applicazione che usa il wireless (safety) 3

4 Architettura di reti cablate e wireless tradizionali 4

5 La rivoluzione wireless La introduzione del wireless ha portato alla creazione di molteplici architetture e standard classificabili in base a Distanza di comunicazione (BAN, WPAN, WLAN, WMAN) Bitrate (Low/High) Mobilità (mobile/nomadico) Applicazione (voce/dati/integrata etc) Le nuove tecnologie WLAN e WPAN stanno portando nell ambito della trasmissione dati cambiamenti analoghi o maggiori di quelli introdotti dalle tecnologie cellulari nelle comunicazioni voce Analogamente alla rete cellulare si ha una connettività più capillare Grazie alla maggior semplicità architetturale, diviene possibile costruirsi una propria infrastruttura di accesso wireless Sviluppo di nuovi scenari applicativi (digital-divide, industria, comunicazione veicolare, reti domestiche ) 5

6 Piena Nazione WAN GSM GPRS EDGE UMTS HSDPA HSUPA Città WMAN WLAN WiMAX WiFi e Hiperlan Mobilità SOHO b a/g n WPAN ZigBee Bluetooth RFid Sost. cavi Scarsa 1 Kbps 10 Kbps 100 Kbps 1 Mbps 10 Mbps 100 Mbps 1 Gbps Bit rate 6

7 Tecnologie WLAN (Wireless Local Area Networks) 7

8 Piena Nazione WAN GSM GPRS EDGE UMTS HSDPA HSUPA Città WMAN WLAN WiMAX WiFi e Hiperlan Mobilità SOHO b a/g n WPAN ZigBee Bluetooth RFid Sost. cavi Scarsa 1 Kbps 10 Kbps 100 Kbps 1 Mbps 10 Mbps 100 Mbps 1 Gbps Bit rate 8

9 WLAN Sono impiegate per le comunicazioni in ambito home ed office Hanno velocità intorno alle decine di Mbps e copertura intorno alle centinaia di metri Con alcuni accorgimenti possono essere utilizzate anche in ambito industriale 9

10 WiFi Wireless Fidelity 10

11 La WiFi alliance Organizzazione no-profit creata da un insieme di aziende per promuovere lo sviluppo delle tecnologie WLAN basate sulla famiglia di standard IEEE Il compito principale è di definire le linee guida per la certificazione Il bollino WiFi assicura che un prodotto sia conforme ad un dato insieme di standard e che sia interoperabile con altri prodotti dello stesso tipo 11

12 Gli standard della famiglia WiFi Alcune specifiche delle tecnologie per WLAN b (WiFi) a (WiFi5) g Anno Frequenze 2.4GHz 2.4GHz 5GHz 2.4GHz Bitrate Linea (Mbps) Bitrate a livello dati (Mbps) Modulazione FH, DSSS HR- DSSS OFDM OFDM 12

13 Canali e frequenze b/g La larghezza di banda di ogni canale è di 22 MHz 14 canali spaziati di 5 MHz Solo 3 canali non-overlapping (independenti) a Fino a 19 canali non-overlapping I canali hanno una larghezza di banda di 20 MHz 13

14 Canali b/g MHz MHz 14

15 Le frequenze Forno a microonde BlueTooth - WiFi 15

16 Topologie di rete Lo standard prevede due differenti tipologie di rete Reti infrastrutturate Reti ad-hoc 16

17 Rete infrastrutturata STA Rete locale o internet STA AP STA BSS STA AP: Access Point BSS: Base service set STA: Stazione 17

18 Il protocollo di accesso al mezzo Un opportuno protocollo (tecnicamente detto di livello MAC, Medium Access Control) definisce le regole che gli apparati (AP e STA) utilizzano per comunicare WiFi utilizza il protocollo CSMA/CA CSMA: ogni client prima di iniziare a trasmettere dati ascolta se il canale è libero CA: Se il canale è libero aspetto un tempo casuale e inizio a trasmettere ACK: La trasmissione è avvenuta con successo se ottengo una risposta dal destinatario 18

19 Coonfigurazione Ad-hoc Tutte le stazioni sono uguali e possono comunicare tra di loro Una delle stazioni può fornire l accesso ad Internet IBSS IBSS: Independent Basic Service Set Rete locale o internet 19

20 Extended Service Set (ESS) Formato da due o più BSS collegate da un Distribution System Tipicamente i client possono transitare tra le BSS in maniera trasparente Il DS può essere wireless o cablato Utilizzato per effettuare coperture di interi piani, edifici, ecc 20

21 BSS1 BSS2 21 Distribution System BSS1 ESS ESS BSS2 Distribution System

22 Auto-fallback È un meccanismo di autoconfigurazione che rende robusto e flessibile Le condizioni del canale vengono tenute costantemente sotto controllo Se peggiorano il trasmettitore diminuisce la velocità di trasmissione in modo da utilizzare una modulazione più robusta In questo modo continuo a trasmettere anche se ad un minor bit-rate 22

23 WiFi e Industria In Industria amplificati i vantaggi del wireless Connettività ubiqua, possibilità di avere dispositivi di interfaccia HMI non dedicata alla singola macchina Cablaggi costosi Ambienti critici dal punto di vista meccanico L ambiente industriale pone però specifici requisiti Probabile presenza di sorgenti di disturbo L ambiente di propagazione è spesso ostile La comunicazione coinvolge segnali con requisiti Real-Time La comunicazione di controllo deve essere robusta e affidabile La comunicazione deve essere sicura 23

24 Un esempio pratico: dal cavo al wireless Flusso dati Flusso dati e messaggi di safety Cavi dedicati ai messaggi di safety dell applicazione 24

25 La sicurezza per le reti WEP Chiave simmetrica per cifratura dati Tempo fa è stato trovato un metodo per forzare la protezione WEP in breve tempo, e quindi non più ritenuto affidabile WPA, WPA2 Autenticazione, cifratura, integrità messaggi, key menagement Implementato in passi successivi con sicurezza crescente in modo da non dover cambiare tutto l hardware già installato 25

26 La QoS per le reti I protocolli prevedevano un supporto base per la QoS (PCF) che non è stato implementato da nessun costruttore Nel 2005 è stato pubblicato lo standard IEEE e che definisce le regole per aggiungere il supporto alla QoS Specifica due tipi di QoS EDCA L accesso al mezzo non è deterministico come nelle reti telefoniche tradizionali Un pacchetto ad alta priorità viene statisticamente trasmesso prima degli altri HCCA Utilizza un approccio a polling Il metodo è deterministico 26

27 La normativa Italiana Le modalità per l uso delle frequenze per apparati radiolan (802.11) e hiperlan sono normate da: Piano Nazionale di Ripartizione delle Frequenze (8 luglio 2002) Modifica (20 febbraio 2003) Decreto WiFi o Landolfi (4 ottobre 2005) Codice delle comunicazioni elettroniche (15 settembre 2003) 27

28 Il decreto WiFi L utilizzo della tecnologia WiFi all interno del proprio fondo è libero La fornitura di servizi di connettività tramite WiFi e soggetta alla sola richiesta di Autorizzazione generale Dichiarazione di intenti con formula del silenzio assenso DIA: Dichiarazione di inizio attività Deve essere rispettata la normativa sulla sicurezza degli accessi telematici (decreto Pisanu) 28

29 Il futuro n: Enhancements for Higher Throughput p: Wireless Access for the Vehicular Environment s: Mesh Networking 29

30 IEEE p Permette comunicazioni tra veicoli e/o tra veicolo ed infrastruttura stradale Deve supportare velocità fino a 200 Km/h con un raggio di comunicazione di circa 1000m I messaggi devono essere trasmessi con latenze molto basse (tra 4 e 50 ms) Esempi di applicazioni possono essere: Pedaggio elettronico Prevenzione degli incidenti 30

31 IEEE s Rete in cui gli access point oltre a fornire connettività alle stazioni possono comunicare tra di loro La rete si autoconfigura automaticamente Se un nodo si guasta la rete si riconfigura cercando un nuovo path verso il collegamento al mondo esterno Internet 31

32 HiperLAN 32

33 Hiper-LAN Standard Europeo (ETSI) molto simile a Ne esistono 4 versioni con throughput fino a 155 Mbps Rispetto ad ha un supporto migliore per la QoS Il mercato ha però fino ad oggi decretato il successo di WiFi È abbastanza utilizzata come tecnologia per ponti radio 33

34 WMAN Wireless MAN 34

35 WMAN Sono impiegate per le comunicazioni in ambito metropolitano Hanno velocità intorno alle decine di Mbps e copertura intorno alle decine di Km Ad oggi non sono ancora molto utilizzate ma promettono di portare una rivoluzione nelle comunicazioni a livello metropolitano 35

36 Piena Nazione WAN GSM GPRS EDGE UMTS HSDPA HSUPA Accesso metro politano WMAN WLAN WiMAX WiFi e Hiperlan Mobilità SOHO b a/g n WPAN Sost. cavi RFid ZigBee Bluetooth 1 Kbps 10 Kbps 100 Kbps 1 Mbps 10 Mbps 100 Mbps 1 Gbps Bit rate Scarsa 36

37 WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access 37

38 Il WiMAX Forum Organizzazione no-profit creata da un insieme di aziende per promuovere lo sviluppo delle tecnologie WMAN basate sulla famiglia di standard IEEE I compiti principali sono Definizione delle linee guida per la certificazione Armonizzazione delle frequenze di utilizzo in ambito mondiale Il bollino WiMAX assicura che un prodotto sia conforme ad un dato insieme di standard e che sia interoperabile con altri prodotti dello stesso tipo 38

39 Lo standard IEEE Standard IEEE Tecnologia di accesso a larga banda su base metropolitana Può fornire un accesso wireless all ultimo miglio con velocità paragonabili a quelle dell ADSL Velocità aggregata di 70 Mbps con raggio di decine di Km Gestione utenti simile alle tecnologie cellulari Buon supporto per la QoS 39

40 dettagli Può funzionare su un range di frequenze molto ampio naturalmente con diverse prestazioni Ad oggi la banda utilizzata è quella dei 3,5 GHz Le prestazioni sono diverse a seconda del range di frequenze utilizzate A queste frequenze non si ha penetrazione del segnale negli edifici Si deve quindi avere un antenna all esterno dell edificio ed un diverso sistema di distribuzione (ad es. WiFi) all interno 40

41 802.16: topologia 41

42 IEEE e Viene anche chiamato WiMAX mobile è stato creato per un utilizzo non in mobilità e definisce invece le regole per l utilizzo con terminali mobili I primi prodotti stanno uscendo sul mercato in questi mesi 42

43 WiMAX: Stato dell arte In Italia sono in corso un buon numero di sperimentazioni In attesa che il ministero delle telecomunicazioni e delle difesa decidano la liberalizzazione delle frequenze Le frequenze usate per la sperimentazione sono quelle a 3,5 GHz Il ministero deve decidere se assegnare le frequenze su base nazionale/regionale/locale Grandi operatori o piccoli WISP 43

44 WiBRO Tecnologia proprietaria della Coreana Samsung Simile a WiMAX Durante le olimpiadi di Torino, TIM lo ha presentato insieme a Samsung Servizio commerciale nel 2007? 44

45 Mesh Networks 45

46 Reti Mesh Un grande numero di nodi tutti connessi tra loro e con capacita di auto-configurare una rete e di fornire connettività agli utenti Reti mesh WiFi: s La standardizzazione è attesa per la fine del 2008 Esistono già prodotti commerciali ma ognuno ha un funzionamento leggermente diverso Reti mesh WiMAX: j Permettono di migliorare la copertura in diversi modi 46

47 Reti mesh WiMAX 47

48 Tecnologie WPAN Wireless Personal Area Networks 48

50 Bluetooth 50

51 La storia Ideato da Ericsson (1994) Nel 1998 viene istituito il SIG (Special Industry Group) composto da aziende leader del settore informatico e delle telecomunicazioni: Toshiba, Nokia, IBM, Intel Nel 1999 si aggiungono Dell, 3Com/Palm, Motorola, Microsoft e Lucent Il clamore prodotto da questa tecnologia spinse l IEEE a standardizzare tale protocollo sotto il nome di

52 Linee guida Standard per creazione WPAN Trasmittente radio: dimensioni ridotte e operativa a basse potenze Sistema a basso costo: chip bluetooth ~ 5$ Il sistema deve funzionare in tutto il mondo Supporto per connessione peer-to-peer Connessione voce / dati 52

53 Scenari applicativi Rete Bluetooth Cellulare Auricolare 53

54 Radio Banda a 2,45 GHz (ISM Industial Scientific Medical): Accessibile in tutto il mondo Libera da licenza Tecnica a salto di frequenza FHSS (79 canali disponibili a partire dalla frequenza di 2.402MHz: (2.402+k) MHz per k = 0, 1, 2,, 78 Frequenza di salto unica per ogni rete Bluetooth (decisa dal nodo master) 54

55 Radio Classificazione dei dispositivi BT in base alla potenza del modulo radio Classe di potenza Potenza massima di output Range operativo mw Oltre 100 metri mw Oltre 10 metri 3 1 mw metri 55

56 Tecnica di trasmissione dati Master Slave 1 Slave µsec 1600 hops/sec 56

57 Piconet (1) Due o più unità Bluetooth che condividono lo stesso canale formano una PICONET: Una sola unità master che decide Più unità slave (max 7) In ogni slot un pacchetto può essere scambiato tra l unità master ed una delle unità slave Topologia a stella 57

58 Piconet (2) Master Slave 58

59 Scatternet Collezione di diverse piconet Un unità Bluetooth può condividere due piconet: Svolgerà ruolo di master in una e slave nell altra Tramite accesso multiplo FDD (Frequency Division Duplex) 59

60 Scatternet Cellulare Auricolare Rete cellulare Laptop Mouse Stampante 60

61 ZigBee 61

62 Applicazioni di ZigBee La ZigBee alliance è stata creata nel 2002 e si occupa della promozione della tecnologie e della certificazione Si basa sullo standard IEEE Pensato per essere utilizzato in reti a basso throughput Reti di controllo o reti di sensori 62

63 Caratteristiche principali Consumo di energia molto basso Bassa potenza di trasmissione Batterie con durata di anni Basso throughput 20, 40 o 250 kbps Basso costo Range di trasmissione medio/basso Da 10 a 75 m Fino a nodi nella stessa rete Permette l utilizzo con un certo grado di mobilità (fino a 18 Km/h) 63

64 Caratteristiche radio Canali 1 canale nella banda 868MHz (Europa) 10 canali nella banda 915MHz (USA) 16 canali nella banda 2.4GHz (Mondiale) Potenza di trasmissione Da -10 dbm a +10 dbm ( mw) Potenza tipica 0 dbm (1mW) 64

65 Tipi di nodi ZigBee Coordinator Deve essere presente in ogni rete Coordina la creazione della rete ZigBee Router Partecipa nella consegna dei messaggi Nodo con funzionalità di routing ZigBee End Device Nodo con funzionalità limitate Basso costo 65

66 Topologie di rete Stell a Mes h ZigBee Coordinator Cluste r Tree ZigBee Router ZigBee End Device 66

67 Esempi di applicazione Domotica Interruttori della luce Termostati Tapparelle Ecc Monitoraggio impianti industriali Temperatura Pressione Agenti chimici Ecc 67

68 XBOW Motes 68

69 RFID 69

70 Identificazione Automatica AIDC (Automatic Identification and Data Capture) Indica il reperimento automatizzato dei dati di riconoscimento univoco di un oggetto Permette di identificare con certezza, precisione e rapidità persone e oggetti Consente un maggior controllo dei flussi dati nell azienda e nel processo distributivo Barcode (mono e bidimensionali) e tag RFID costituiscono i principali strumenti AIDC attualmente disponibili. 70

71 Tecnologia RFID RFID = Radio Frequency IDentification Antenna Power & Commands Data RF-ID Tag RF-ID Reader 71

72 Tag Passivi Sono costituiti da un microchip e da una antenna. Le dimensioni sono dominate dall antenna. Non necessitano di alimentazione. Possono essere di tipo READ o READ/WRITE Dimensione tipica 6cm 72

73 RFID vs Barcode Barcode RFID Costo basso alto (in sviluppo nuovi tag basati su polimeri) Memoria bassa (più elevata per codici data matrix) ~ Byte Riscrittura No Sì Lettura Tag in vista (problemi luce/sporco) Limitata da acqua/metallo Attivazione Solo passivi Attivi / passivi 73

74 Sistemi RFID - Architettura Il sistema è composto da: Tags Memorizzano un identificativo univoco ed opzionalmente ulteriori dati. Antenne Permettono la comunicazione in lettura o scrittura con i tag. Lettori Sono i dispositivi che pilotano le antenne, comunicano con i tag in lettura e scrittura e forniscono i dati letti al sistema. Infrastruttura software Raccoglie e filtra i dati letti contenuti nei tag e li rende disponibili al sistema informativo aziendale. TAG ANTENNA INFRASTRUTTURA SOFTWARE 74

75 Frequenze Operative Range lettura (tag passivi) LF 125 KHz HF 13,56 MHz UHF MHz MW 2,54 GHz 0,5 m 1 1,5 m 3 m 5 10 m Data rate scarso buono elevato molto elevato Memoria Lettura metalli/liquidi 64b 256-2Kb (ISO KB) b 64b buona discreta scarsa pessima Dimensione molto grande grande medio piccolo controllo controllo Supply chain, supply chain, Applicazioni accessi, accessi, pedaggio pedaggio tipiche tracc. tracc. elettronico elettronico Animali oggetti 75

76 Standardizzazione RFID 76

77 Tracciabilità e controllo produzione Sistema manuale Operator 1 rep. part ref. data, Op. 2 rep. part ref data, Op. 3 rep. part ref data,

78 Sistema manuale Inserimento dati Traceability and Historic Database Op. 1 rep. Part 1: Part X: Part Y: Part 4: Op. 2 rep. Part 1: Part X: Part 3: Part 4: Op. 3 rep. Part 1: Part Y: Part 3: Part 4:

79 Inserimento tag RFid RFID Tags 79

80 Tracciabilità e controllo produzione Sistema automatico Traceability Server OP Traceability and Historic Database RFID MIDDLEWARE WiFi WiFi 80

81 Tecnologie cellulari 81

83 Tecnologie mobili e nomadiche Le tecnologie cellulari sono definite mobili in quanto la connessione può passare tra due celle diverse senza problemi anche quando il terminale utente si muove a grandi velocità Nel caso delle tecnologie come WiFi si parla di nomadicità in quanto i tempi di passaggio tra due access point possono essere lunghi Questo è uno dei problemi che lo standard p sta cercando di risolvere Ad oggi le prestazioni delle tecnologie cellulari sono imbattibili Grande attenzione sta suscitando la convergenza di tecnologie come GSM e WiFi utilizzando la tecnologia VoIP 83

84 GSM Global System for Mobile Communication Creato alla fine degli anni 80 Prima rete commerciale nel 1991 in Finlandia Attualmente è lo standard di telefonia mobile 2G più diffuso al mondo 2 miliardi di utenti in 200 paesi Circa il 70% del mercato 84

85 GPRS e EDGE GSM dati: supporto per la trasmissione dati con bit rate di 12,6 Kbps GPRS: General Packet Radio Service Evoluzione di GSM per il traffico dati Velocità massima teorica di 171,2 Kbps Velocità reali tra 30 e 80 Kbps EDGE: Enhanced Data rates for GSM Evolution Evoluzione di GPRS con velocità teorica di 473,6 Kbps e reale di 236,8 Kbps 85

86 GSM/GPRS Copertura cellulare 86

87 UMTS Universal Mobile Telecommunications System Tecnologia 3G molto recente Prima rete in Giappone nel 2001 e nel 2003 in Europa Velocità teorica di circa 2 Mbps Velocità reale di 384 Kbps Le licenze per le frequenze radio sono state vendute a caro prezzo in tutta Europa 87

88 Super-UMTS Nome commerciale per l evoluzione dell UMTS Le tecnologie utilizzate si chiamano HSDPA (già attiva) e HSUPA (prossimo futuro) Velocità di 1,8 Mbps in downlink e di 384 Kbps in uplink 88

89 Altre tecnologie wireless Il lavoro su nuove e migliori tecnologie wireless è in continua evoluzione UWB Grandi quantità di dati trasmessi tramite impulsi di brevissima durata Permette una localizzazione molto fine di un apparato : WiMedia (wireless USB) Standard del 2003 per reti WPAN ad alto bit rate (fino a 55 Mbps) basato su OFDM Interessanti le possibili evoluzioni ( a) per aumentare il throuhput fino a 440 Mbps in futuro basato su UWB 89

90 Altre tecnologie wireless : Mobile Broadband Wireless Access Ancora in fase di studio Accesso su base metropolitana Bit rate di almeno 1 Mbps per ogni utente per velocità fino a 250 Km/h Simile a quanto già può fare e Ancora in fase di studio Regole per l interoperabilità tra tecnologie radio diverse tra loro Handover trasparente 90

91 Domande 91

92 Grazie per l attenzione! Edoardo Calia Istituto Superiore Mario Boella Via Boggio Torino calia@ismb.it Tel Fax