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Dott.ssaDott.ssaChiara Chiara PetrioliPetrioli

Università di Roma “La Sapienza”Corso di Laurea Specialistica in Informatica

Reti AvanzateReti Avanzate

Si ringraziano per questo materiale Il Prof. Antonio Capone, Politecnico diMilano e il Prof. Giuseppe Bianchi, Universita’ di Tor Vergata

1 1 -- Introduzione al corsoIntroduzione al corso

Il docenteIl docente

� Dott.ssa Chiara Petrioli� Ufficio:

� Dip. di Informatica� Via Salaria 113� 3° piano� stanza 311

� Tel: 06 4991 8536� E-mail: petrioli@di.uniroma1.it� Web page del gruppo reti: http://venere.di.uniroma1.it/eng(under

construction)� Web page del corso: http://twiki.di.uniroma1.it (sara’ aggiornata a

mano a mano)� Orario di ricevimento:

� Mercoledì 12.00-14:00

Scopo del corsoScopo del corso� Fornirvi alcune conoscenze di base della

tecnologia e dei protocolli delle

Ma soprattutto:� Insegnarvi a ragionare sui problemi delle

reti radio mobili; � Comprendere quali siano alcune delle più

importanti problematiche che debbono essere affrontate per sviluppare i sistemi di prossima generazione;

� Studiare alcune delle soluzioni in corso di definizione nella comunità scientifica;

� Prerequisiti: calcolo delle probabilità o sistemi multicomponenti + Architettura di Internet o Reti 1

Ma soprattutto:� Insegnarvi a ragionare sui problemi delle

reti radio mobili; � Comprendere quali siano alcune delle più

importanti problematiche che debbono essere affrontate per sviluppare i sistemi di prossima generazione;

� Studiare alcune delle soluzioni in corso di definizione nella comunità scientifica;

� Prerequisiti: calcolo delle probabilità o sistemi multicomponenti + Architettura di Internet o Reti 1

Programma e materiale didatticoProgramma e materiale didattico

� Programma del corso� Introduzione alle reti radio mobiliTesto: P.M.Shankar ‘Introduction to Wireless Systems’, Wiley

2002, cap. 2 e 4� Sistemi cellulari: GSM (cenni a GPRS/UMTS)Testo di consultazione: Bertazioli, Favalli ‘GSM-GPRS’

seconda edizione, Hoepli informatica 2002, cap 5-11.

� Valutazione delle prestazioni delle retiSu appunti del corso tenuto dal docente

Prof. Francesco Lo PrestiUniversita’ dell’Aquila

Programma e materiale didatticoProgramma e materiale didattico

� Programma del corso� Bluetooth (802.15.1)

� Reti Ad Hoc

� Ambient Intelligence: Reti di sensori. Testo: articoli forniti dal docente e disponibili sul web/scaricabili dalle digital libraries a cui ‘La Sapienza’ e’ abbonata

Testo: articoli forniti dal docente

Testo: capitoli di libro, articoli

articoli forniti dal docente

In aggiunta: Saranno organizzati dei seminari su questi argomenticollegati al corso, non parte del programma

Materiale didatticoMateriale didattico� Capitoli dei libri consigliati� Lucidi del corso (per alcune lezioni) /appunti

del corso� Articoli di approfondimento indicati durante il

corso (alcuni argomenti trattati solo sugli articoli) fortemente consigliato seguire

� Informazioni aggiornate saranno disponibili sul sito web. Consultatelo frequentemente

� Mailing list del corsofatemi avere i vostri indirizzi e-mail

ModalitModalit àà dd’’ esameesame� Modalità d’esame standard

� Scritto (con domande di sbarramento) + (se serve) orale sull’intero programma + progetto su valutazione delle prestazioni

� Tre esoneri (sulle varie parti del programma) + quattro appelli (2 tra giugno/luglio + 1 a settembre + 1 a febbraio)

� Date d’esame (non finali): , 30 giugno, 11 luglio� Date orientative degli esoneri: 25 aprile, 9 maggio, 3

giugno� Per chi segue: Chi supera molto bene i primi due esoneri

potra’ fare una tesina di approfondimento su uno degli argomenti visti di ricerca (scelta della tesina nell’ultimo mese del corso) al posto dell’ultimo esonero. Quanti di voi sono interessati a quest’ultima modalita’ d’esame?

Calendario delle Lezioni (1/2)Calendario delle Lezioni (1/2)� Introduzione alle reti radio mobili

� Giovedi’ 17 marzo� Mercoledi’ 23 marzo (in orario di Ing. SW II)

� Valutazione delle prestazioni (Francesco Lo Presti)� Giovedi’ 31 -venerdi’ 1 aprile� Lunedi’ 4 aprile (aula alfa ore 13.30-15)� Giovedi’ 7 aprile, venerdi’ 8 aprile� Lunedi’ 11 aprile, Giovedi’ 14 aprile*

� Introduzione alle reti radio mobili (seconda parte)� Venerdi’ 15 aprile� Lunedi’ 18 aprile� Giovedi’ 21

* Possibile cambiamento di orario

Calendario delle Lezioni (2/2)Calendario delle Lezioni (2/2)� Introduzione al GSM

� Venerdi’ 22 aprile� Giovedi’ 28, Venerdi’ 29 Aprile� Lunedi’ 2 maggio� Giovedi’ 5 maggio, Venerdi’ 6 maggio

� Reti Ad Hoc (con sorpresa...FORSE ;-) ) � Lunedi’ 9 maggio� Giovedi’ 12 maggio, Venerdi’ 13 maggio

� Reti di sensori� Lunedi’ 16 maggio� Giovedi’ 19 maggio, Venerdi’ 20 maggio

� Reti Bluetooth� Lunedi’ 23 maggio� Giovedi’ 26, Venerdi’ 27 maggio

Una semplice statistica Una semplice statistica ……

� Quanti di voi sono iscritti alla laurea specialistica? � Quanti alla laurea quinquennale

� quarto anno� quinto anno

� Quanti alla laurea triennale?� In tutto

� Quanti di voi devono ancora superare esami propedeutici al corso?

Introduzione alle Reti Introduzione alle Reti RadiomobiliRadiomobili

� Scenario di riferimento� Diversi modelli di reti radio mobili e brevestoria delle reti radiomobili�Caratteristiche delle reti radiomobili

� Errori nella trasmissione� Risorse (banda/energia) limitate� Medium Access Control� Gestione della mobilità

Reti Reti WirelessWireless� L’unica differenza sembra

consistere nel mezzo trasmissivo radio, eppure:� Le particolari

caratteristiche del mezzo hanno un grosso impatto sulle caratteristiche del sistema

� le reti wireless consentono agli utenti di muoversi e gestiscono automaticamantela loro mobilità

Meglio wireless o wired?

wiredwire-less

CaratteristicheCaratteristiche

� Il mezzo radio è un mezzo intrinsecamente broadcast (la trasmissione di un terminale èascoltabile da tutti gli altri)

� Il mezzo radio è un mezzo condiviso� necessità di protocolli di Medium Access Control

(MAC)� Risorse limitate

� Probabilità di errore nella trasmissione elevata� Mobilità dei nodi rende più difficile la progettazione

di protocolli� Dispositivi portatili fanno affidamento su sorgenti

di energia esterne (batterie) per comunicare ��necessità di protocolli a basso consumo energetico

Architettura di una rete radioArchitettura di una rete radio

rete d’accesso

rete di trasporto

wireless

Modelli di Reti Modelli di Reti WirelessWireless

� 1) Reti con punto di accesso fisso (cellulari)

Rete fissaRete fissa

� Solo collegamenti terminale mobile –punto di accesso fisso

Reti Reti WirelessWireless

� 2) Reti wireless ad-hoc (Wireless LAN)

� Anche collegamenti mobile- mobile

� nella modalitàmulti-hop i mobile hanno funzionalità di inoltro dei pacchetti

4G Scenario4G Scenario

MAR : Mobility Aware Router

: Mobile Client

: Mobile Client issuing handover

: MAR coverage area

: wireless cellSession HandoverSession Handover

MARjCoverage Area

MARiCoverage Area

Wireless cell

INTERNET

Wireless

Access Point

Hotspot802.11

Ad Hoc access (BT-IEEE 802.15)

Scenario di riferimento ad oggiScenario di riferimento ad oggi

OrganizzazioneOrganizzazionedelladella prima prima parteparte del del corsocorso

� Partiamo dai sistemi cellulari

� Capendo come le caratteristiche dei sistemi radiomobilirichiedano di disegnare protocolli che tengano conto dell’alta probabilita’ d’errore, del fatto che il mezzo sia condiviso etc.

� Vedremo poi come l’impatto delle caratteristiche delle reti radio impongano ulteriori vincoli e richiedano soluzioni diverse quando si vuole sviluppare un sistema per reti ad hoc

Copertura CellulareCopertura Cellulare� La copertura del territorio è ottenuta con stazioni radio base

(base station – BS) che offrono accesso radio ai terminali mobili (Mobile Station – MS) nella loro area di servizio, detta CELLA

BaseStation

MobileStation

CellaCella=Area di coperturadi una BS

Requisiti di sistemi Requisiti di sistemi radiomobiliradiomobili cellularicellulari

•Capacità•possibilità di servire molti utenti

•Copertura•garantire un livello di segnale accettabile a un vasto territorio

•Qualità•garantire parametri di qualità di comunicazione simili a quelli delle reti fisse

•Flessibilità•possibilità di accedere ai servizi di rete fissa•interoperabilità con sistemi “concorrenti”

Rete telefonica Rete telefonica –– Rete cellulareRete cellulare

� Cosa c’è di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia (mobile)?

� Codifica della voce

� per risparmiare risorse radio si abbandona il vecchio PCM a 64 Kbit/s e si passa a codificatori a bassa velocità

Codifica di sorgentesorgente

13 kb/s (GSM)

Problemi e limitazioniProblemi e limitazioni

� Scarsità delle risorse radio (numero e qualità)

� Gestione della mobilità degli utenti

� Estrema variabilità del traffico (difficile predizione)

� Consumo energetico

� …..

Copertura CellulareCopertura Cellulare� La copertura del territorio è ottenuta con stazioni radio base

(base station – BS) che offrono accesso radio ai terminali mobili (Mobile Station – MS) nella loro area di servizio, detta CELLA

BaseStation

MobileStation

CellaCella=Area di coperturadi una BS

IDEA: RIUSODELLE FREQUENZE

� Scarsita’ delle risorse (mezzo condiviso)

� Riuso delle risorse (esempio: concetto di riuso delle frequenze)

� Ammissione delle chiamate solo se sufficienti risorse

� Le stesse frequenze possono essere riutilizzate se le trasmissioni non interferiscono

� Mobilità degli utenti

� mobilità in stand-by

� mobilità in conversazione

� cambio del punto di accesso alla rete

�Control/data channel (control channel used for transmission, setup, call request, call initiation,…)

� Simplex Systems/Duplex Systems (half and full duplex)

� Uplink/downlink� Reverse/Forward channel

� Handoff

Alcune definizioni...Alcune definizioni...

� Dispositivi portatili hanno bisogno di far affidamento su risorse di energia esterne (ad esempio batterie) per il loro funzionamento� Necessario minimizzare il consumo energetico (soprattutto

dell’interfaccia radionecessario per tx/rx pacchetti)

Help!No energy!!

Rete CellulareRete Cellulare� La rete cellulare è costituita anche da una parte “fissa”

che gestisce tutti i servizi di comunicazionee la mobilitàdegli utenti

BaseStation

MobileStation

PLMNPublic Land Mobile Network

Accesso RadioAccesso Radio

�Esempio: set up chiamata, gestione mobilità

Cenni storici: Cenni storici: Motivazioni dei sistemi cellulariMotivazioni dei sistemi cellulari

� Lo scopo primario di un sistema radiomobile èdi rendere possibile una connessione “anytime, anywhere” (collegamento tra utenti mobili, tra utenti mobili e rete fissa ….)

� Il mercato ha avuto un forte sviluppo negli anni ‘80 e la domanda è ancora in rapida ascesa.

Cenni storici: Cenni storici: Utenti mobili nel mondoUtenti mobili nel mondo

! 1 persona su 10 al mondo attualmente possiede un telefonino

In Italia 45M di abbonati

Dati da www.gsmworld.com

Cenni storici: Cenni storici: Prima Generazione (1G) Prima Generazione (1G)

•AMPS: Advanced Mobile Phone Service (1983)� standard U.S.A. (EIA-553); banda intorno agli 800

MHz, 30KHz per canale, 45KHz separazione downlik/uplink

� diffusione: Americhe, Oriente

�TACS: Total Access Communications System� standard sviluppato nel Regno Unito; banda intorno

ai 900 MHz, è un adattamento dello standard AMPS

� diffusione: Europa (Italia)

•NMT: Northern Mobile Telephone System� standard scandinavo, indipendente da AMPS e

TACS; bande intorno ai 450 e ai 900 MHz;

� diffusione: Europa del Nord

Cenni storici: Cenni storici: Verso la Seconda GenerazioneVerso la Seconda Generazione

Sistemi analogici:• bassa capacità

• scarsa qualità del servizio

• numero di servizi limitato

• alti costi delle apparecchiature

• problemi di interoperabilità tra sistemi diversi

Sistemi digitali (2G-fine anni ‘80)•Integrazioni di servizi diversi•Maggiore robustezza all’interferenza•Maggiore capacità (codifiche voce efficienti)•Sicurezza

Cenni storici: Seconda Generazione (2G/2G+)Cenni storici: Seconda Generazione (2G/2G+)� Nel ‘92 è stato introdotto GSM in Europa con un

successo ed una diffusione enorme (60% del mercato globale)

� D-AMPS e United States Digital Cellular system IS-95 (CDMA) sono introdotte in USA nella metàdegli anni ‘90 con grande successo (meno del GSM)

� Fine anni ‘90 standardizzazione di reti con accesso a pacchetto (EDGE, GPRS-General Packet Radio Service-, HCSCD)

� ... domani UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) e CDMA2000 (3G)

3GPP Third Generation Partnership Project (derivato di uno dei comitati tecnici del GSM)

Cenni storici: Cenni storici: � 1982Groupe Special Mobile del CEPT (conferenza

europea delle amministrazioni delle poste e delle comunicazioni) �� comincia lo sviluppo di un sistema cellulare digitale e pan-europeo

� 1989 Il gruppo GSM viene trasferito come parte dell’ETSI (European Telecommunications Standard Institute) GSM denominato Global System for Mobile communications

� Vengono greati diversi sottocomitati dell’ETSI che si occupano degli aspetti collegati ai servizi, aspetti radio, di rete, servizi dati, gestione della rete, sicurezza, codifica vocale GSM

� 1992primi sistemi GSM (94 primi servizi dati)

Cenni storici: Cenni storici: Digital Cellular Systems WorldDigital Cellular Systems World--widewide

GSMD-AMPSJapan DigitalPCS 1900DCS 1800CDMA

Dati da www.gsmworld.com

Servizi di comunicazioneServizi di comunicazione

� Una rete cellulare di solito offre due tipi di servizi di comunicazione� servizio voce� servizio dati

� Storicamente le reti cellulari sono nate per il servizio voce e da questo punto di vista possono essere semplicemente pensate come una evoluzione delle reti telefoniche fisse

� Il servizio voce è offerto (attualmente) in modalitàa commutazione di circuito

� Esistono servizi dati sia a commutazione di circuito che a commutazione di pacchetto (ad. es. GPRS)

� Rete d’accesso

� canale wireless

� mezzo trasmissivo condiviso e non dedicato

Centaletelefonica

Doppino telefonico

CanaleRadio

� Errori frequenti nella trasmissione

� Attenuazione, riflessione, rifrazione,diffrazione del segnale

� multipath fading

CanaleRadio

� vedremo piu’ avanti

100100

100110

� pacchettotrasmesso

� pacchettoricevuto

� Interferenze

� Analizziamo adesso brevemente ciascuno di questi aspetti

� Quelli più legati alle problematiche di rete saranno poi ripresi in seguito

� Analizziamo adesso brevemente ciascuno di questi aspetti

� Quelli più legati alle problematiche di rete saranno poi ripresi in seguito

� canale wireless� canale wireless

� mezzo condiviso� mezzo condiviso

� gestione della mobilità� gestione della mobilità

� codifica della voce� codifica della voce

� consumo energetico� consumo energetico

Canale WirelessCanale Wireless

risponderemo alla seguente domanda:risponderemo alla seguente domanda:--quali sono le ragioni per la presenza di errori nella trasmissioquali sono le ragioni per la presenza di errori nella trasmissione ?ne ?

Canale wirelessCanale wireless

� Rispetto ai mezzi cablati il canale radio è un mezzo di trasmissione molto “più inaffidabile” (lo scenario cambia dinamicamente)

� I segnali che si propagano in aria sono soggetti a fenomeni di:� Attenuazione funzione della distanza tra trasmettitore

e ricevitore� Attenuzione dovuta ad ostacoli� Propagazione per cammini multipli (multipath)

Problemi nella propagazione Problemi nella propagazione del del segnalesegnale

� Line of sight

� Reflection

� Shadowing

�Diffraction� When the surface

encountered has sharp edges �� bending the wave

�Scattering� When the wave encounters

objects smaller than the wavelength (vegetation, clouds, street signs)

Problemi nella propagazione Problemi nella propagazione del del segnalesegnale

Attenuazione Attenuazione del del segnalesegnale

Signal power

Distance BS � MS

The Radio SpectrumThe Radio Spectrum

� Radio wave

� Wavelength λλλλ = c/f � Speed of light c=3x108 m/s

� Frequency: f

( )ϕπ += ftAts 2cos)(

f = 900 MHz � λ = 33 cm

[V|U|S|E]HF = [Very|Ultra|Super|Extra] High Frequency

The radio spectrumThe radio spectrum

Optical communications400-900 THzLight

LAN infrared, consumer electronics300 GHz – 400 THzIR

Experimental, WLL30-300 GHzEHF

Satellite, radar, terrestrial wireless links, WLL3-30 GHzSHF

Cellular, TV UHF, radar300 MHz - 3 GHzUHF

TV VHF, FM radio, AM x aircraft commun.30-300 MHZVHF

Amateur radio, military, long-distance aircraft/ships3-30 MHzHF

AM radio, marine radio300 KHz –3 MHzMF

Long-range, marine beacon30-300 KHzLF

Submarine, long-range3-30 KHzVLF

Remote control, Voice, analog phone<3 KHzELF

Attenuation phenomena for millimeter Attenuation phenomena for millimeter waves (EHF)waves (EHF)

Impairments due to-Oxygen

- water vapour

Spectrum AllocationSpectrum Allocation

� Cellular systems� 400-2200 MHz range (VHF-UHF)� Simple, small antenna (few cm)� With less than 1W transmit power, can cover several

floors within a building or several miles outside� SHF and higher for directed radio links, satellite

communication� Large bandwidth available

� wireless data systems� 2.4, 5 GHz zones (ISN band)� Main interference from microwave ovens� limitations due to absorption by water and oxygen -

weather dependent fading, signal loss due to by heavy rainfall etc.

Canale wireless: attenuazione da distanzaCanale wireless: attenuazione da distanza

� Una sorgente puntiforme (isotropic radiator) che trasmetta un segnale di potenza PT lo irradia in modo uniforme in tutte le direzioni

� La densità di potenza sulla superficie di una sfera centrata nella sorgente puntiforme e con raggio d è data da:

]W/m[4

distanza d

sorgente area

Antenna GainAntenna Gain� Isotropic antenna (idealized)

� Radiates power equally in all directions (3D)� Real antennas always have directive effects (vertically and/or

horizontally) � Antenna gain

� Power output, in a particular direction, compared to that produced in any direction by a perfect omni-directional antenna (isotropic antenna)

� Directional antennas “point” energy in a particular direction� Better received signal strength� Less interference to other receivers� More complex antennas

d distance aat density power mean

radiation maximum ofdirection in the d distance aat density power Dy Directivit =

2T 4/P

radiation maximum ofdirection in the d distance aat density power G Gain

Esempi di antenneEsempi di antenne

� Graphical representation of radiation properties of an antenna

� Depicted as two-dimensional cross section

side view (xy-plane)

side view (yz-plane)

top view (xz-plane)

simpledipole

side view (xy-plane)

side view (yz-plane)

top view (xz-plane)

directedantenna

Canale wireless : attenuazione da distanzaCanale wireless : attenuazione da distanza

� Indicando con gT il guadagno massimo abbiamo che la densità di potenza in tale direzione risulta:

� Il prodotto PT gT è chiamato EIRP (Effective Isotropically Radiated Power) e rappresenta la potenza necessaria con una sorgente isotropica per raggiungere la stessa densità di una antenna direttiva

]W/m[4

gPF TT

� La potenza al ricevitore può essere espressa come:

ggPP RTTR πλ

� dove PT rappresenta la potenza irradiata dal trasmettitore, gT e gR i guadagni delle antenne del trasmettitore e ricevitore, λλλλ la lunghezza d’onda (c/f) e dla distanza tra trasmettitore e ricevitore. L>1 tiene conto degli HW losses.

Power units Power units -- decibeldecibel

� Decibel (dB): modo di rappresentare in maniera logaritmica i rapporti tra le potenza

( )21 /log10 PPLogaritmo in base 10PA = 1 Watt

PB = 1 milliWatt� PA = 30 dB piu’ grande di PB

� ad esempio il guadagno dell’antenna e’ espresso in dB

3dB (una potenza e’ il doppio dell’altra), 10dB� un ordine di grandezza

di differenza, 20dB due ordini di grandezza, 30db tre ordini di

grandezza

Decibels Decibels -- dBmdBm� dBm = rapportato ad una potenza di 1mW

� Potenza in dBm = 10 log(potenza/1mW)� Potenza in dBW= 10 log(potenza/1W)

1dBW=30dBm

� Esempio� 10 mW = 10 log10(0.01/0.001) = 10 dBm� 10 µµµµW = 10 log10(0.00001/0.001) = -20 dBm� S/N ratio = -3dB �� S = circa 1/2 N

� Properties & conversions� dBm = 10 log10(P (W) / 1 mW) = P (dBW) + 30 dBm� (P1 * P2) (dBm) = P1 (dBm) + P2 (dBW)

P1 * P2 (dBm) = 10 log10(P1*P2 (W)/0.001) = 10log10(P1/0.001) + 10 log10P2 = P1 (dBm) + P2 (dBW)

Computation with dBComputation with dB

� Transmit power� Measured in dBm

– Es. 33 dBm

� Receive Power� Measured in dBm

– Es. –10 dBm

� Path Loss� Transmit power / Receive power� Measured in dB� Loss (dB) = transmit (dBm) – receive (dBm)

– Es. 43 dB = attenuation by factor 20.000

� La

� rappresenta l’attenuazione da spazio libero.� Tale attenuazione non è l’unica che subisce il segnale ma

anche altre attenuazioni possono essere presenti a causa dell’atmosfera (dipendente dalla frequenza e da nebbia, pioggia, ecc.) e di ostacoli (assorbimento, riflessione, diffrazione, ecc.)

Lfree(d)

ExampleExamplenormalized

frequency [MHz] 900 900000000speed of light [Km/s] 300000 300000000lambda (m) 0.333333333gain Tx 1Gain Rx 1Loss 1Ptx [W] 5distance (Km) Prx W Prx dBm

200 8.80E-08 -40.56400 2.20E-08 -46.58600 9.77E-09 -50.10800 5.50E-09 -52.60

1000 3.52E-09 -54.541200 2.44E-09 -56.121400 1.79E-09 -57.461600 1.37E-09 -58.621800 1.09E-09 -59.642000 8.80E-10 -60.562200 7.27E-10 -61.392400 6.11E-10 -62.142600 5.20E-10 -62.842800 4.49E-10 -63.483000 3.91E-10 -64.083200 3.44E-10 -64.643400 3.04E-10 -65.173600 2.71E-10 -65.663800 2.44E-10 -66.134000 2.20E-10 -66.584200 1.99E-10 -67.004400 1.82E-10 -67.414600 1.66E-10 -67.794800 1.53E-10 -68.165000 1.41E-10 -68.52

-70.00

-60.00

-50.00

-40.00

-30.00

0 1000 2000 3000 4000 5000

distance (m)

Path Loss (propagation loss) Path Loss (propagation loss) positive value in dBpositive value in dB

56.147log10log20log20

4log20log10log20log20

4log20log10log20

4log10log10)(

101010

10101010

101010

−−+=

=−−+=

=−−=

Free space lossFree space losssame as path loss, but part due to attenuationsame as path loss, but part due to attenuation

in free space only (in dB)in free space only (in dB)

56.147log20log20

/log20

4log20)(

1010 −+=

ddL dBfree ππ

dL free πλ

Alcune elaborazioni sulla Alcune elaborazioni sulla formula formula delldell’’ attenuazioneattenuazione

� Loss sperimentata da un segnale tx sulla frequenza f0 a distanza d nella condizione di un terreno piatto senza ostacoli

ggPP RTTR πλ

PR(d) = PR(dref) (dref/d)2

Se si conosce il valore ad una distanza di riferimento

PR(d) dBm= PR(dref)dBm +20 log 10 (dref/d)

Lfree= -20 log10 dBc/f4πd( )

Lfree= 32.44+20log10(f)+20log10(d)

� Si può far vedere che nel semplice caso di propagazione con due raggi, uno diretto ed uno riflesso completamente...

...il rapporto tra potenza ricevuta e potenza trasmessa assume la forma:

Canale wireless : attenuazione da distanzaCanale wireless : attenuazione da distanza� Nell’ipotesi della propagazione per due percorsi (LOS e

tramite riflessione su un secondo percorso) la potenza ricevuta decresce, a causa dell’attenuazione dovuta alla distanza, molto più velocemente (~1/d4) che nel caso di propagazione in spazio libero (~1/d2)

� In realtà la propagazione tipica dei sistemi wireless è spesso diversa e più complessa di questi due casi (spazio libero/propagazione su due percorsi)

� Nonostante ciò di solito si utilizza una formula simile anche nel caso generale dove però l’esponente della distanza (coefficiente di propagazione ηηηη) può assumere valori compresi tra 2 (spazio libero) e 5 (forte attenuazione ambiente urbano):

ηπλ

dggPP RTTR

Example scenarios: Example scenarios: LOS path non necessarily existing (and unique)LOS path non necessarily existing (and unique)

diffraction

reflection

Example: city with large buildings; No LINE OF SIGHT;

Diffraction; reflection

Example scenariosExample scenarios

LINE OF SIGHT +Diffraction, reflection, scattering

Extended formulaeExtended formulae

ddPdBdP o

orr 1010 log10)(log10)()( ηd_ref 1 KmP_ref -51,5266 dBm (Ptx=10W; 900 MHz; 1000m)

distance prx (eta=2)prx (eta=3,5) prx (eta=4)1 -51,5266 -51,5266206 -51,5266

1,2 -53,1102 -54,2979642 -54,69391,4 -54,4492 -56,6411018 -57,37171,6 -55,609 -58,67082 -59,69141,8 -56,6321 -60,4611582 -61,7375

2 -57,5472 -62,0626704 -63,56782,2 -58,3751 -63,5114144 -65,22352,4 -59,1308 -64,834014 -66,73512,6 -59,8261 -66,0506877 -68,12562,8 -60,4698 -67,1771517 -69,4129

3 -61,069 -68,2258645 -70,61153,2 -61,6296 -69,2068698 -71,73263,4 -62,1562 -70,1283827 -72,78583,6 -62,6527 -70,9972081 -73,77873,8 -63,1223 -71,8190464 -74,718

4 -63,5678 -72,5987203 -75,6094,2 -63,9916 -73,3403457 -76,45664,4 -64,3957 -74,0474642 -77,26474,6 -64,7818 -74,7231447 -78,03694,8 -65,1514 -75,3700639 -78,7763

5 -65,506 -75,9905707 -79,4854

1 2 3 4 5distance (Km)

η=2η=3,5η=4

Path loss:Path loss:Modelli empiriciModelli empirici

� Consider specific scenarios � Urban area (large-medium-small city), rural area� Models generated by combining most likely ray

traces (LOS, reflected, diffracted, scattered)

� Based on large amount of empirical measurements� Account for parameters

� Frequency; antenna heights; distance� Account for correction factors

� (diffraction due to mountains, lakes, road shapes, hills, etc), environment issues

First model: Okumura, 1968, based on measurements in the Tokyo AreaVERY complex due to many specific correction factors!

OkumuraOkumura --HataHata modelmodel

� Hata (1980): very simple model to fit Okumura results� Provide formulas to evaluate path loss versus distance

for various scenarios� Large cities; Small and medium cities; Rural areas� Limit: d>=1km

Parameters:

�f = carrier frequency (MHz)

�d = distance BS � MS (Km)

�hbs = (effective) heigh of base station antenna (m)

�hms = height of mobile antenna (m)

Effective BSAntenna height

Average ground level

OkumuraOkumura --HataHata: urban area: urban area

( )( )msbs

−−+−+

log82.13

loglog55.69.44

log16.2655.69)(

� a(hms) = correction factor to differentiate large from medium-small cities;

� depends on MS antenna height

( ) ( )[ ]( ) [ ] [ ]8.0log56.17.0log1.1:cities med-small

40097.475.11log2.3:cities large

−−−=≥−=

MHzfhha

Very small correction difference between large and small cities (about 1 dB)

OkumuraOkumura --HataHata: urban area: urban area

( )( )msbs

−−+−+

log82.13

loglog55.69.44

log16.2655.69)(

� a(hms) = correction factor to differentiate large from medium-small cities;

� depends on MS antenna height

( ) ( )[ ]( ) [ ] [ ]8.0log56.17.0log1.1:cities med-small

40097.475.11log2.3:cities large

−−−=≥−=

MHzfhha

Very small correction difference between large and small cities (about 1 dB)

Lfree= 32.44+20log10(f)+20log10(d)

OkumuraOkumura --HataHata: suburban & rural areas: suburban & rural areas

� Start from path loss Lp computed for small and medium cities

[ ] 94.40log33.18log78.4)(:rural

log2)(:suburban

−+−=

ffLdBL

OkumuraOkumura --Hata: examplesHata: examples

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

distance (km)

large citiessmall citiessuburbsrural area

F=900MHz, hbs=80m, hms=3m

Possiamo approssimare con la formula di attenuazioneSe calcolate il valore di ηηηη che corrisponde a tali curve si va da oltre 4 a 2 passando da ambiente urbano-large city- a ambiente rurale

ηπλ

dggPP RTTR

Realistic scenariosRealistic scenarios� obstructions between the transmitter and receiver

� reflection, diffraction, scattering� Propagation strongly influenced by environment (building

characteristics, vegetation density, terrain variation)� Perfect conductors reflect waves; nonconductors absorb some

energy� wave traverses multiple paths

� Radio waves arrive at receiver from different directions and with different time delays

� Resultant signal at receiving antenna is vector addition of incoming signals� signals can add constructively (resultant signal has large

power) or destructively (resultant signal has small power) depending on relative phases �� not only more severe attenuation than in the ‘ideal case’ but signal received power varies in time and space

Software tools needed to analyze complex specific scenarios (ray-tracing)

Slow fading Slow fading –– fast fadingfast fading

Signal power

Distance BS � MS (km)

Distance BS � MS (m)

Canale wireless : fading multipathCanale wireless : fading multipath

� Nella propagazione tra sorgente e destinazione il segnale può seguire piùpercorsi a causa della riflessione totale o parziale da parte di ostacoli

� Il comportamento delle onde sugli oggetti dipende dalla frequenza del segnale e dalla caratteristiche e dimensioni degli oggetti

� In generale, onde a bassa frequenza possono attraversare senza attenuazione molti oggetti (trasparenti), mentre all’aumentare della frequenza i segnali tendono ad essere assorbiti o riflessi dagli ostacoli (ad altissima frequenza – oltre 5 GHz – è possibile quasi solo la propagazione diretta).

� Le repliche del segnale che giungono dai diversi cammini si ricombinano al ricevitore

� Il risultato della ricombinazione dipende:� numero delle repliche � fasi relative� ampiezze� frequenza

� la potenza del segnale differisce

�from place to place

�from time to time!

� Il segnala risultante può essere attenuato

0 5 10 15 20

s(t+T)

s(t)+s(t+T)

0 5 10 15 20

s(t+T)

s(t)+s(t+T)

� O addirittura amplificato

T=4/5π

T= π /6

Slow fading Slow fading –– fast fadingfast fading

Signal power

Distance BS � MS (km)

Distance BS � MS (m)

� slow fading: lognormaldistributed

� Fast fading: Rayleightor Rician distributed

Se c’e’ una componente LOS

Rayleigh Rayleigh FadingFading

( ) 2222

p exf−

( ) =+=∑ = k

k kr tfate φπ 012cos)(

( ) ( )( ) ( )tfYtfX

atfatf k

2sin2cos

sin2sincos2cos

ππφπφπ

=−= ∑∑ ==

( )( ) ( ) ( ) ( )kk

φπφπφπ

sin2sincos2cos

2cos: thatrecall

−==+

In the assumptions:- N large (many paths)

- φk uniformly distributed in (0,2π)- ak comparable (no privileged path such as LOS)

X,Y are gaussian, identically distributed random variables

Rayleigh fading powerdistribution

Sigma2 is theVariance ofThe X,Y variables

RayleightRayleight--faded signalfaded signal

Perche’ e’ importante tener conto del fading?

Answer1:

Outage Probability��Probability that received power is lower than a given threshold

�Below which signal cannot be correctly received

Pout=� o f(p) dp∫pthr

� Il realtà la propagazione per cammini multipli può provocare altri più complessi problemi nel caso di trasmissione digitale

� In questo caso, infatti, i diversi ritardi delle repliche del segnale trasmesso (delay spread) provocano un allargamento della risposta all’impulso del canale che può portare a interferenza intersimbolica (ISI – Inter-Symbol Interference)

EsempiEsempi

Impulso Gaussiano trasmesso sul canale radio ed esempidi segnale ricevuto (10 componenti multipath)

Segnale trasmesso Segnale ricevuto

� La rilevanza del delay spread può essere quantificata calcolando il suo valore quadratico medio (RMS Delay Spread):

RMS PP

τττ ∑∑ =

� con

� ττττRMS RMS delay spread� ττττi ritardo del path i� Pi potenza ricevuta path i� n numero di path

� L’inverso del delay spread fornisce la banda di coerenza� Se la banda di coerenza è molto maggiore della banda del

segnale il delay spread non pone problemi� Se al contrario la banda di coerenza è comparabile con

quella del segnale il delay spread provoca interferenze intersimbolica non trascurabile e errori in ricezione

� In questo caso per ovviare alla distorsione in frequenzadel canale occorre equalizzarecon un opportuno filtro addattativo in ricezione

Accesso Radio CondivisoAccesso Radio Condiviso

Accesso radio condivisoAccesso radio condiviso� Per far comunicare stazione radio base e stazioni mobili i

sistemi cellulari usano la banda radio assegnata dalle autorità responsabili

� Questa risorsa trasmissiva è condivisa da tutte le comunicazione e va dunque in qualche modo divisa (in modo statico o dinamico) tra i flussi informativi

� La divisione della risorsa radio porta alla creazione di canali radio fisici

� Nel caso di servizio voce la tecnica di commutazione utilizzata è di tipo a circuito e quindi un canale fisico èassegnato ad ogni comunicazione stazione base – stazione mobile (canale di traffico dedicato)

� Lo stesso avviene per il servizio dati a circuito� Nel caso di servizio dati a pacchetto i canali possono essere

condivisi dinamicamente (canale di traffico condiviso)� Altri canali, come vedremo, servono per scopi di servizio

(canali di controllo e segnalazione)

Accesso radio condiviso: MultiplazioneAccesso radio condiviso: Multiplazione

� La multiplazione di livello fisico consente di creare piu’canali fisici; consiste nel suddividere la capacità di un canale in sottocanali di velocità inferiore

Accesso radio condiviso: MultiplazioneAccesso radio condiviso: Multiplazione

� La stazione trasmittente coinvolta è unica

canale 2

canale

1 canale 3

Problema tipico della trattadownlink (forward link) di sistemi cellulari (dalla stazione base ai terminali d’utente)

Accesso radio condiviso: Accesso radio condiviso: Multiplazione/Accesso MultiploMultiplazione/Accesso Multiplo

Nodo 1

Nodo 4

Nodo 3

Nodo 2

Canale broadcast

MPX DMPX

Nodo 1 Nodo 2

AccessoMultiplo

Multiplazione

� Ci occuperemo in seguito in dettaglio delle tecniche di accesso multiplo e multiplazione

Accesso radio condiviso: Accesso MultiploAccesso radio condiviso: Accesso Multiplo� Tecnica con la quale da un

unico canale broadcast se ne possono ricavare altri di tipo punto-punto

� Le stazioni trasmittenti possono essere molteplici (problema di coordinamento)

canale

canale 2canale 3

Problema tipico della tratta uplink (reverse link) di sistemi cellulari (dai terminali d’utente alle stazioni base)

� Nota che è necessaria anche una tecnica per la divisione tra canali uplink e canali downlink (tecnica di duplexing)

Necessita’ di protocolli di MAC (esempio:FDMA/TDMA)

vedi corso di Reti 1vedi corso di Reti 1

Accesso radio condiviso: Accesso radio condiviso: Multiplazione/Accesso MultiploMultiplazione/Accesso Multiplo

Nodo 1

Nodo 4

Nodo 3

Nodo 2

Canale broadcast

MPX DMPX

Nodo 1 Nodo 2

AccessoMultiplo

Multiplazione

� Ci occuperemo in seguito in dettaglio delle tecniche di accesso multiplo e multiplazione

Accesso radio condiviso: Sistemi cellulariAccesso radio condiviso: Sistemi cellulari--Riuso di frequenzeRiuso di frequenze

� L’accesso multiplo in realtà è anche alla base della divisione della risorsa radio tra stazioni radio base

� Il problema in questo caso è più complesso� La quantità di risorsa radio (banda) è molto limitata e non

è possibile dedicarla in modo esclusivo ad un canale fisico di una particolare cella

� Nella divisione della risorsa radio tra le celle in qualche modo la risorsa viene riusata più volte in celle sufficientemente distanti in modo che l’interferenza reciproca risulti fortemente attenuata (si ricordi il path loss)

� E’ chiaro che il riuso di frequenze è critico e determina da un lato il numero di canali che si riesce ad assegnare a ciascuna cella e dall’altro la qualità del canale

Accesso radio condiviso: PrestazioniAccesso radio condiviso: Prestazioni

� Indipendentemente dal modo con il quale la risorsa viene suddivisa il numero di canali che si riesce ad assegnare a ciascuna cella è limitato

� Salvo casi particolari (allocazione dinamica)il numero di canali è anche fisso

� Il numero di conversazioni contemporanee per cella è limitato ed è dunque possibile che all’arrivo di una chiamata a circuito (ad es. voce) non vi siano più canali disponibili nella rete d’accesso radio (blocco della chiamata)

� Per valutare le prestazioni in termini di probabilitàdi blocco della chiamata occorre far ricorso ad alcuni

elementi di teoria del traffico …elementi di teoria del traffico …

Teoria del traffico: il traffico istantaneoTeoria del traffico: il traffico istantaneo� Il “ traffico ” istantaneo in t è il numero di chiamate

(messaggi, pacchetti, …) a(t) in corso su un canale al tempo t

t a(t)=2

vedi parte del corso su valutazione delle prestazioni

Teoria del traffico: Risultati sul trafficoTeoria del traffico: Risultati sul traffico

∫TA(T) = 1/T a(t) dt

a(t) dt = Σi Xi in T∫TRisulta

Il traffico medio in T è

A(T) = λ(Τ) X(T)

� λ frequenza media dell’arrivo delle chiamate (call/s)� X durata media dei messaggi (s)

a(t) dt Σi Xi n∫TT

A(T) =

Traffico medio in T

� Nel caso in cui le trasmissioni non possono sovrapporsi

� è la frazione di tempo in cui le trasmissioni sono attive

a(t) dt Σi X i∫TT

=A(T) =T

� In realtà il “traffico ” istantaneo a(t) è un processo casuale

Teoria del traffico: Il TrafficoTeoria del traffico: Il Traffico

A = λ X

� In condizioni di stazionarietà le medie nondipendono da T

E[A(T)] = A

� A non ha dimensione

� Il traffico si misura in Erlang

Teoria del traffico: EfficienzaTeoria del traffico: Efficienza

� Il traffico massimo smaltibile è un parametro importante

� Nel caso di singoli canali il massimo traffico smaltibile (da 0 a 1), max throughput, riflette l’ efficienzacon cui i protocolli usano il canale

� E’ il processo casuale più sempliceche descrive l’occorrenza di punti (es. arrivo di chiamate) casuali sull’asse temporale

� descrizione:– N(t,t+τ) τ) τ) τ) numero di punti nell’intervallo [t,t+ ττττ]

N(0,t)0 t τN(t,t+τ)

Teoria del traffico: Il processo di PoissonTeoria del traffico: Il processo di Poisson

� Teorema 1

� La probabilità che il numero di punti di Poisson N(t,t+ττττ) in un intervallo temporale fra t e t+ττττ è pari a:

λτλττ −==+ ek

kttNPk

)(]),([

� Teorema 2

� Gli intervalli T tra punti di Poisson sono variabili casuali indipendenti con distribuzione esponenziale negativa

� Vale anche il contrario:� Se un processo puntuale è caratterizzato da intervalli

indipendenti identicamente distribuiti e con distribuzione esponenziale negativa, allora il processo è di Poisson

λτλ −= tetpT )(

Processo di Poisson ben rappresenta arrivo di chiamate voce

Teoria del traffico: Sistemi di servizioTeoria del traffico: Sistemi di servizio

� Ad un sistema di servizioarrivano richieste di servizio secondo un processo (puntuale) degli arrivi

� Ciascuna richiesta è caratterizzata da un tempo di servizionecessario ad uno dei serventiper soddisfarla

� E’ possibile la presenza di un sistema di attesa(o coda) dove le richieste attendono che un servente si liberi

arrivi

serventi

Teoria del traffico: Sistema a pura perditaTeoria del traffico: Sistema a pura perdita� Per modellare l’arrivo delle chiamate in una cella con un

numero di canali disponibili pari a n basta usare in sistema a pura perdita (senza posti in coda) con n serventi

� Si mostra che, nell’ipotesi di arrivi di Poisson, la probabilitàdi rifiuto di una chiamata è data dalla formula B di Erlang:

� dove A=λλλλT (in Erlang), λλλλ frequenza media degli arrivi (call/s), T durata media delle chiamate

� NOTA: vale per qualunque distrib. della durate delle chiamate

Teoria del traffico: Sistema a pura perditaTeoria del traffico: Sistema a pura perdita� Il traffico perso (rifiutato) dal sistema è dato da:

� mentre quello smaltito da:

� Il coefficiente di utilizzo dei canali è dato da:

),( AnBAAp ⋅=

( ) ps AAAnBAA −=−⋅= ),(1

( )10,

),(1 ≤≤−⋅== ρρn

Teoria del traffico: ProbabilitTeoria del traffico: Probabilit àà di bloccodi blocco

Problematiche di Problematiche di MAC in MAC in reti reti ad hocad hoc

� Si usano approcci CSMA-like, e.g. CSMA/CA

� Perche’ non TDMA like?

� Perche’ non CSMA/CD? nodi non ricevono/trasmettono contemporaneamente

� Hidden terminal

� Exposed terminal

I duenodi cheTx nonsi ascoltano

Il nodoPotrebbetrasmettere

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