Introduzione. La tesi è organizzata come segue.

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1 Introduzione Nel settore delle telecomunicazioni i sistemi wireless hanno ormai affermato la loro importanza in molti scenari applicativi. La connessione senza fili ai dispositivi di rete e alla rete stessa risulta essere largamente utilizzata, e talvolta l unica soluzione possibile in grado di fornire un servizio che garantisca agli utenti accesso e completa libertà di movimento. Attraverso gli standard attualmente diffusi vengono già forniti servizi che coprono una vasta area applicativa, partendo dagli estesi sistemi di diffuzione digitale audio-video quali DVB-T/DVB-H (Digital Video Broadcasting - Terrestrial/Handheld) e DAB (Digital Audio Broadcasting), per passare poi alle reti cellulari e alle reti di accesso locale Wireless-LAN con tecnologia Wi-FI fino alle piconet Bluetooth e PAN (Personal Area Network). Lo standard WiMAX si aggiunge a quelli presenti ponendosi come obiettivo quello di fornire un accesso wireless a banda larga e alto bit rate, ad utenti fissi, nomadici e in movimento. Lo standard IEEE era stato inizialmente sviluppato per fornire specifiche per connessioni fisse sia Line Of Sight (LOS) nella banda GHz (802.16c) chenon-los nella banda 2-11 GHz (802.16a, d). Successivamente tali specifiche sono state ampliate incrementando le capacità dello standard con la possibilità di effettuare connessioni attraverso terminali mobili, sempre nella banda 2-11 GHz (802.16e), utilizzando schemi di trasmissione basati su OFDM e OFDMA. Per le sue caratteristiche WiMAX rappresenta una tecnologia chiave per rendere possibile l accesso a banda larga anche in zone scarsamente popolate o a basso potenziale economico dove la stesura di una normale rete cablata risulterebbe svantaggiosa per i provider di servizi. WiMAX infatti è una tecnologia candidata alla soluzione del problema del digital divide tra le diverse aree territoriali, in quanto fornisce

2 Introduzione viii un servizio di accesso wireless ad alto bit rate su scala metropolitana, con celle di raggio molto maggiore delle attuali celle UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), abbattendo fortemente i costi di installazione e gestione della rete, soprattutto se usata per soluzioni di accesso alle reti ad alta velocità come l ultimo miglio. Proprio perchè WiMAX si candida come una infrastruttura assai versatile, se ne prevedono applicazioni in molti campi. È possibile quindi immaginare uno scenario in cui questa tecnologia verrà utilizzata non solo per scopi prettamente commerciali ma anche in ambiti non civili, come per scenari di emergenza od operazioni militari, in cui sono aspetti di fondamentale importanza la sicurezza e la segretezza come la bassa probabilità di intercettazione e di rilevamento del segnale trasmesso. Com è noto, le tecnologie ad allargamento di spettro o spread spectrum sono molto utili nell ottenere gli obiettivi di sicurezza precedentemente esposti; in particolare la tecnica del frequency hopping è particolarmente apprezzata sia in ambito militare sia come soluzione al problema dell allocazione delle risorse radio in casi di emergenza. È interessante quindi immaginare di inglobare questa tecnologia di allargamento di spettro all interno del WiMAX e chiedersi quali sono le prestazioni del sistema così ottenuto; in particolar modo è lecito domandarsi quali sono gli effetti dei salti di frequenza su una delle parti più critiche del sistema di ricezione utilizzato da WiMAX: glial- goritmi di acquisizione del segnale e di stima degli errori di sincronizzazione e di frequenza. Tali errori hanno infatti un ruolo chiave nel corretto funzionamento dei sistemi che utilizzano la modulazione OFDM come IEEE Per i motivi precedentemente esposti WiMAX è stato l oggetto del presente lavoro di tesi. Inizialmente si sono studiate le caratteristiche degli algoritmi usati per l acquisizione del segnale e per la valutazione degli errori di frequenza e di sincronizzazione causati dal disallineamento degli oscillatori locali in ricezione sperimentati dal terminale sul canale di downlink. Questa parte di lavoro ha previsto lo studio del sistema PLL (Phase-Locked Loop) e l analisi degli algoritmi utilizzati nella compensazione degli offset di tempo e di frequenza sopra menzionati. Gli algoritmi sono prima stati testati in una rete a frequenza fissa. Successivamente si è passati alla parte centrale del lavoro,

3 Introduzione ix che rappresenta l obiettivo di questa tesi, cioè l implementazione della tecnica frequency hopping e lo studio delle conseguenze che ne derivano se utilizzata per trasmissioni sul canale di downlink. Attraverso il sistema così realizzato si sono studiati quindi gli effetti dell introduzione di questa particolare tecnica di trasmissione ad allargamento di spettro, innovativa rispetto a quanto previsto dallo standard, sulle capacità di acquisizione e stima dei parametri di offset tempo-frequenza del terminale, il comportamento del PLL elepre- stazioni in termini di Bit Error Rate in diversi ambienti propagativi. La tesi è organizzata come segue. Nel capitolo 1 è presentata un analisi del livello fisico dello standard IEEE , con particolare attenzione alle soluzioni adottate per garantire la mobilità degli utenti, quelle cioè definite nella seconda rettifica dello standard, [3]. Il capitolo 2 descrive la tecnica di modulazione OFDM, le caratteristiche, i vantaggi che comporta rispetto agli effetti del canale radiomobile e le relative vulnerabilità, i dettagli teorici dell implementazione e la realizzazione reale. Infine, presenta un analisi quantitativa degli errori di fase e di frequenza introdotti sia dal canale sia dal disallineamento degli oscillatori locali, e di come la gestione di tali errori sia di fondamentale importanza per il corretto funzionamento di qualsiasi sistema che utilizzi la tecnica di modulazione OFDM. Il capitolo 3 fornisce una panoramica sulle tecniche ad allargamento di spettro, frequency hopping, time hopping e direct sequence, imotividelloro utilizzo e i vantaggi che apportano in termini di sicurezza della trasmissione, bassa probabilità di intercettazione e di rilevamento delle comunicazioni che le utilizzano. Infine nel capitolo 4 viene descritto il simulatore WiMAX utilizzato per lo studio e le simulazioni degli scenari proposti, la sua struttura logica e il suo

4 Introduzione x funzionamento. Successivamente sono esposti i risultati delle simulazioni del sistema originale, l introduzione della tecnica del frequency hopping elecon- seguenze che da essa derivano. Per ultimi, sono riportati i risultati delle simulazioni sia in termini di prestazioni del PLL sia in termini di BER, peril sistema modificato contestualizzato in molteplici scenari, quali diversi canali multipath, diversi errori di disallineamento tra gli oscillatori locali in ricezione e in trasmissione, diverse modalità di gestione del frequency hopping da parte del terminale in ricezione.

5 Capitolo 1 Lo standard WiMAX WiMAX, acronimodiworldwide Interoperability for Microwave Access, è una tecnologia di accesso a reti wireless a banda larga di ultima generazione. Tale acronimo è stato definito dal WiMAX Forum, [2], un consorzio di aziende formatosi nel 2001 per supportare e favorire lo sviluppo di questa tecnologia basata sullo standard IEEE WirelessMAN (Wireless Metropolitan Area Network), [3]. In particolare l obiettivo del WiMAX Forum è quello di promuovere l uso commerciale del WiMAX, eperciòleaziendechenefanno parte hanno come fine quello di realizzare profili che siano compatibili con le specifiche dello standard, in modo da garantire la futura interoperabilità tra i prodotti disponibili sul mercato. In questo modo i produttori potranno usufruire della certificazione WiMAX Forum, in qualche modo una garanzia sulla qualità efedeltà allo standard delle proprie soluzioni, e potranno ottenere abbassamenti di costi di produzione dalle economie di scala che si creeranno dalla produzione di massa di sistemi e dispositivi aderenti ad un unico standard. Il punto di forza del WiMAX è la capacità di coprire grandi zone, fino a 50 km di raggio, abbattendo notevolmente i costi di installazione e fornitura del servizio se paragonati con quelli necessari per l installazione di una rete cablata in un area di grandezza equivalente. Inoltre, tale vantaggio viene ulteriormente enfatizzato se andiamo a considerare zone rurali o paesi in via di sviluppo, in cui la forbice tra possibili guadagni futuri e costi di

6 Capitolo 1. Lo standard WiMAX 2 Internet hotspot Core network On-demand video Base station LAN Residential VoIP Server and computers Mobile users Business corporation VoIP Figura 1.1: Scenario WiMAX posizionamento di una rete di cavi scoraggiano i provider. In queste zone, la popolazione non ha la possibilità di poter usufruire dei servizi di telecomunicazione a banda larga, evidenziando il problema del digital divide tra zone sviluppate e non. In questa direzione il WiMAX risulta essere un buon candidato come tecnologia in grado di fornire accesso alla rete in modalita punto-multipunto. In più si potrebbe pensare al WiMAX come tecnologia di backbone tra hot-spot wireless , menocostosaedipiù facile gestione e realizzazione delle tradizionali backbone su cavo DSL (Digital Subscriber Line) ot1; in figura 1.1 è visualizzato un potenziale scenario applicativo. Vediamo quali sono le principali caratteristiche che rendono il WiMAX uno standard molto competitivo: Data rate elevati: l utilizzo combinato di sistemi MIMO (Multiple- Input Multiple-Output), schemi dinamici di allocazione del canale, codifica e modulazione avanzata, garantiscono rate trasmissivi fino a 63 Mbps in downlink e 28 Mbps in uplink, per canali a 10 MHz;

7 Capitolo 1. Lo standard WiMAX 3 Quality of Service: WiMAX può essere ottimizzato per supportare traffico eterogeneo, utilizzando le architetture DiffServ o MPLS (Multi Protocol Label Switching) che permettono flussi end-to-end sottoposti a vincoli di QoS; Estesa area di copertura: grazie alla modulazione OFDM (Othogonal Frequency Division Multiplex) si riesce a garantire la comunicazione anche in condizioni in NLOS (Non Line-Of-Sight), si arriva fino a 50 km in LOS; Mobilità: garantisce accesso nomadico e in mobilità fino a 160 km/h; Interoperabilità: obiettivo fondamentale del WiMAX Forum è quello di rendere possibile la coesistenza di WiMAX con altri standard di comunicazione wireless; Multi-applicazione: sfrutta il protocollo IP come base per fornire tutti itipidiservizi(www, VoIP, streaming audio-video); Flessibilità di architettura: sono supportati diversi tipi di architettura, PMP ultimo miglio, Mesh e backhaul; Flessibilità di spettro: WiMAX può lavorare in differenti range di frequenza, in bande licenziate e non licenziate, e prevede un elevato grado di versatilità a lavorare in canalizzazioni differenti, da 1.25 a 20 MHz; Sicurezza: privacy e sicurezza sono garantiti dagli standard AES (Advanced Encryption Standard) e3des (Triple Data Encryption Standard); Facilità di installazione e gestione, rapidità di sviluppo: tutto a costi contenuti; Bassi costi di produzione: essendo uno standard aperto si prevede un adozione di massa e un abbattimento dei costi dei componenti; I potenziali ambiti applicativi della tecnologia WiMAX sono quindi moltissimi, anche se per poter utilizzare in modo ottimale tutte le capacità dovrà

8 Capitolo 1. Lo standard WiMAX 4 essere svolto un lavoro di adattamento alla coesistenza e integrazione con le altre tecnologie wireless oggi disponibili. 1.1 Lo standard IEEE WiMAX è basato sullo standard IEEE , [3], che definisce le operazioni di accesso al canale (MAC) e il livello fisico. Tale standard ha subito nel corso degli anni vari aggiornamenti: la prima versione, pubblicata nel 2001, è stata ideata per applicazioni FBWA (Fixed Broadband Wireless Access) in scenari di LOS nelle bande licenziate da 10 a 66 GHz, definisce un rate di trasmissione teorico massimo pari a 120 Mbps e non permette nè lamo- bilità nè la portabilità. La versione successiva, del 2004, opera tra 2 e 11 GHz, utilizza la modulazione OFDM garantendo anche l accesso nomadico in situazioni di NLOS. La terza versione, pubblicata nel 2005, oltre a includere le versioni precedenti, introduce funzionalità necessarie per l accesso in mobilità, come l incremento di copertura dovuto all uso di schemi avanzati quali HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request), elevata sottocanalizzazione, utilizzo di sistemi adattivi di antenna (AAS) emimo, handoff e power saving. A tale fine introduce anche una nuova tecnica di modulazione, la SO- FDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access), che però non è compatibile nè conofdm nè conofdma. In tabella 1.2 sono elencate le principali caratteristiche tecniche della seconda versione e della terza e. In particolare si nota come la versione operi nella banda da 2 a 11 GHz mentre quella successiva utilizzi la totalità di tale banda solamente per l accesso fisso mentre per l accesso mobile prevede l uso della banda da 2 a 6GHz Il livello fisico Il livello fisico dello standard prevede quattro diverse modalitàdi accesso al canale, qui di seguito elencate:

9 Capitolo 1. Lo standard WiMAX 5 Figura 1.2: Confronto tra e e Wireless MAN SC: accesso alla rete MAN (Metropolitan Area Network) con trasmissione a singola portante (Single Carrier); Wireless MAN SCa: analogo al Wireless MAN SC con accesso multiutente; Wireless MAN OFDM: accesso alla rete MAN utilizzando la modulazione OFDM; Wireless MAN OFDMa: analogo al Wireless MAN OFDM con accesso multiutente; Vediamo in dettaglio quali sono le caratteristiche principali per quanto riguarda l ultima modalità di accesso al canale, Wireless MAN OFDMa, poichè proprio quest ultima è stata utilizzata nel presente lavoro. Il simbolo OFDM Il livello fisico dello standard e prevede l uso della modulazione OFDM, tecnica che suddivide la banda disponibile in più sottocanali ortogonali tra diloro. InunsistemaOFDM il flusso informativo di bit da trasmettere

10 Capitolo 1. Lo standard WiMAX 6 T g T b T s Figura 1.3: Simbolo OFDM nel dominio del tempo viene diviso in più sotto-flussi paralleli, ognuno ad un rate inferiore a quello di partenza, ed ognuno modulato su una delle sottoportanti ortogonali. Il tempo di simbolo quindi aumenta in modo proporzionale al numero di portanti OFDM utilizzate, con il risultato che la trasmissione èpiùrobusta nei confronti dell interferenza inter simbolica (ISI). In più, l inserimento di un prefisso ciclico all inizio di ogni simbolo tende ad eliminare gli effetti del ritardo di propagazione, fino a quando la durata di tale prefisso è maggiore del delay spread del canale. All interno della catena di trasmissione, una FFT inversa genera il simbolo OFDM di periodo T b e l ultima parte del simbolo, T g, viene ripetuta all inizio del simbolo stesso. In questo modo si genera un prefisso ciclico che ha il compito di assorbire gli effetti della dispersione nel dominio del tempo dovuta al multipath, mantenendo l ortogonalità tra le portanti, fig La lunghezza della FFT può variare e può assumere i valori di e 128 campioni, in modo da adattarsi alle varie possibilità di larghezza di banda. Questa particolare flessibilità, che viene definita SOFDMA (Scalable OFD- MA), adatta la dimensione della FFT alla larghezza di banda disponibile sempre mantenendo la spaziatura ottimale tra le sottoportanti. L inserimento del prefisso ciclico provoca una perdita di energia pari a 10 log T b T b +T g in quanto l energia richiesta dal trasmettitore aumenta con l aumentare della durata del tempo di guardia mentre al ricevitore il prefisso ciclico viene scartato in ogni caso. Questa perdita può essere diminuita andando ad aumentare la lunghezza della FFT in trasmissione, accorgimento

11 Capitolo 1. Lo standard WiMAX 7 che comunque ha un effetto negativo sulla sensibilità all errore di fase degli oscillatori in fase di ricezione. Oltre a questo effetto negativo il prefisso ciclico di fatto introduce overhead, che in pratica riduce il troughput e l efficienza di banda. Tuttavia poichè la modulazione OFDM presenta uno spettro in cui le portanti sono molto ravvicinate, in trasmissione si utilizza una porzione più ampia della banda a disposizione rispetto ad esempio a sistemi di tipo FDM, eciò mitiga la perdita di efficienza dovuta all utilizzo del prefisso ciclico. Un altra importante caratteristica del prefisso ciclico è quella di contenere anche l errore di sincronizzazione temporale, dovuto sia alla distanza variabile tra stazione base e stazione mobile sia all errore di temporizzazione, timing offset, che inevitabilmente varia attorno a zero durante la durata della trasmissione. Durante il periodo di inizializzazione la stazione mobile effettua una ricerca su tutte le lunghezze possibili di prefisso ciclico utilizzate dalla stazione base, fino ad individuare quella corretta: tale valore verrà poi usato per tutta la durata della sessione. 1.2 L accesso Multiutente In un sistema OFDM, vengono individuate due tipi di risorse: nel dominio della frequenza, rappresentate dalle sottoportanti, e nel dominio del tempo, rappresentate dai simboli. Questi due tipi di risorse possono essere organizzate per la definizione di sottocanali da assegnare ai vari utenti. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) è uno schema di accesso multiplo che fornisce operazioni di multiplexing dei segnali provenienti dai vari utenti nei sottocanali di downlink e operazioni di accesso multiplo nei sottocanali di uplink. Nel dominio della frequenza un simbolo OFDM si presenta come una sequenza di sottoportanti adiacenti, il cui numero ède- terminato dalla dimensione della FFT utilizzata in trasmissione, fig Le sottoportanti si dividono in tre gruppi, secondo il tipo di dato trasmesso: Dati: per la trasmissione dei dati; Pilota: per la stima di alcuni parametri, come le condizioni del canale e la sincronizzazione;