wireless: tecniche di comunicazione

Autore:
Michele Naso
Classe:
QUINTA INFORMATICA (5IA)
Anno scolastico:
2003/2004
Scuola:
Itis Euganeo
WIRELESS: TECNICHE DI COMUNICAZIONE
Dispensa
Il presente lavoro vuole mostrare le
tecniche di codifica di linee che vengono
utilizzate nella comunicazione Wireless
e utilizzati negli attuali standard de jure
come IEEE 802.11 e de facto come
IRDA e Bluetooth.
Wireless Livello Linea
Tecnologia Wireless
Verso la metà degli anni ’80 la Federal Communication Commitee (FCC) ha liberato, concesso
l’uso gratuito, le frequenze delle bande 902-924 Mhz ; 2,4-2,483 Ghz e 5,725-5,850 Ghz. con il solo
vincolo di produrre apparati elettronici con una potenza massima limitata a 1 W in USA, 100mW in
Europa e 10 mW in Giappone.
Da quel momento le aziende del settore informatico e della telefonia mobile hanno iniziato a
sviluppare sistemi e a fornire servizi che utilizzano l’aria come mezzo di trasmissione delle
informazioni con il conseguente abbandono dei cavi come mezzo di trasmissione e collegamento tra
i dispositivi.
Le suddette bande sono più note, rispettivamente, con le sigle ISM#1, ISM#2 e ISM#3 perché prima
della liberazione delle frequenze erano state licenziate per applicazioni industriali, scientifiche e
mediche (il carattere “#” si legge “numero”).
I principali vantaggi della tecnologia wireless, oltre a quello di “liberarci” dai cavi, sono di:
•
•
•
•
•
•
•
•
Essere facilmente installabili;
Essere facilmente configurabili;
Essere economicamente più convenienti;
Installare reti di calcolatori in palazzi che non si possono cablare;
Permettere di collegare stazioni mobili alla rete aziendale per esempio, in una scuola,
utilizzando Notebook collegati in wireless alla rete d’istituto si possono creare degli Internet
point nelle classi;
Installare reti mobile (WLAN, wireless area network) molto utili in ambienti ospedalieri,
bar, ristoranti, hotel, magazzini dove il personale non sta fisso in un posto.
Collegarsi autonomamente in Internet grazie ai Notebook e ai telefoni cellulari.
Crearsi una Wpan (Wireless Personal Area Network) collegando in rete tutti i dispositivi
personali come cellulari, cuffie, notebook e così via.
Al fine di promuovere e sviluppare il wireless sono nati dei consorzi che hanno creato degli
standard “de facto” come IrDA (Infrared Data Association) che promuove la tecnologia degli
infrarossi che lavora nella banda ISM#1, il SIG (Special Interest Group) che promuove la
tecnologia Bluetooth e che utilizza la banda ISM#2 per i collegamenti di corto raggio integrando la
fonia con i dati, e gli standard “de jure” proposti dal WECA (Wireless Ethernet Compatibility
Alliance) e approvati dal comitato IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) con le
sigle IEEE 802.11a , IEEE 802.11b, IEEE 802.11g più noti con le sigle WiFi (wireless fidelity) che
utilizzano la bande ISM#2 e ISM#3 per collegamenti su distanze di raggio massimo intorno ai 500
mt.
IrDA
La tecnologia dell’infrarosso usata da tempo nei telecomandi per comandare televisori, impianti
HiFi, videoregistratori etc.., applicata da circa 10 anni nel campo dell’informatica per collegare un
computer con stampanti, mouse, modem e così via, adesso è utilizzata anche per fare comunicare
PC tra loro, PC con cellulari , Notebook con PC e Notebook con cellulari e così via.. Lo standard
utilizza le onde elettromagnetiche che hanno lunghezza d’onda variante da 0,85 a 90 µ m con una
potenza minima di 40 mW e massima di 500 mW. I collegamenti a IR sono di tipo punto punto e
trasmettitore e ricevitore si devono vedere (Line of Sight) perché gli infrarossi non sono in grado di
superare gli ostacoli. Per quanto detto le distanze raggiungibili non vanno oltre i 2 metri con un
BER (bit error rate) di 1 bit ogni 10*9 . Le velocità raggiungibili variano da 115,2 Kbps fino 4 Mbps
ultimamente si sono raggiunte velocità di 16 Mbps.
Itis Euganeo- Naso Michele a.s. 2003-2004
2/7
Wireless Livello Linea
I dati da trasmettere vengono organizzati in una struttura identica a quella del protocollo seriale
asincrono con la differenza che invece di utilizzare una codifica NRZ utilizzano una diversa
codifica è precisamente l’1 logico viene codificato con l’assenza di impulso mentre lo zero logico
viene codificato con un impulso della durata pari a 3/16 del bit time.
Supponiamo di voler trasmettere il carattere “A” che è codificato in ASCII con il codice decimale
65 a cui corrisponde in binario a 01000001, se usassimo la frame seriale asincrona il carattere
verrebbe trasmesso in accordo al seguente cronogramma:
Start Bit
Stop Bit
Frame Seriale Asincrona
mW
CARATTERE
0
0
1
0
0
0
0
0
1
1
t
Bit
Time
Invece lo standard IrDA lo trasmette nel seguente modo
3/16 Bit Time
Start Bit
Frame IR
Stop Bit
CARATTERE
mW
0
0
1
0
0
0
0
0
1
1
t
I vantaggi principali della trasmissione mediante infrarossi li possiamo così riassumere:
•
•
•
•
Implementazione semplice e a basso costo
Efficienza di trasferimento elevata
Comunicazione a bassa potenza
Elevata immunità alle interferenze elettromagnetiche
Poiché sono consentiti solo collegamenti diretti nel campo delle reti di calcolatori la trasmissione
mediante infrarossi può essere utilizzata solamente in una topologia ad anello con le stazione che si
trovano nella stessa stanza.
Itis Euganeo- Naso Michele a.s. 2003-2004
3/7
Wireless Livello Linea
Trasmissione Spread Spectrum (spettro espanso)
Per raggiungere distanze più elevate, rispetto a quelle consentite dagli IR, si usa la trasmissione in
RF (radiofrequenza). Le onde in radio frequenza sono in grado di attraversare gli ostacoli ma
vengono da questi attenuate per cui le distanze raggiungibili dipendono dagli ambienti in cui si
trovano i dispositivi.
Se tutti gli apparecchi trasmettessero nelle bande lasciate libere avremmo notevoli interferenze. Al
fine di evitare reciproche interferenze i sistemi che trasmettono nelle bande ISM usano tecniche di
modulazione che hanno lo scopo di spalmare l’energia di un segnale su una banda più ampia con
l’obiettivo di abbassarne l’energia al di sotto del rumore di fondo in modo da ridurre le interferenze
tra le apparecchiature oppure di cambiare continuamente e casualmente frequenza di trasmissione.
Vengono utilizzate due metodi :
•
•
DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum
FHDD: Frequency Hopping Spread Spectrum
DSSS
La teoria delle telecomunicazioni ci dice che per trasmettere con una potenza inferiore a quella del
rumore bisogna aumentare di molto lo spettro.
Segnale prima
dell’espansione
P
Segnale dopo
dell’espansione
Soglia del
Rumore
f
Questa tecnica nata in ambito militare, utilizza due particolari configurazione di bit,chipping
sequence, da associare al bit da trasmettere. Due configurazioni utilizzate con le rispettive
associazioni sono:
0
--> 0100100010
1
--> 1011011101
In figura vediamo la forma del segnale associate alle chip sequence o spread code sopraindicate.
Questa tecnica oltre ad abbassare il livello energetico del bit da trasmettere e ad aumentare
conseguentemente lo spettro necessario, consente, utilizzando opportuni chip sequence, di trovare
e correggere eventuali errori avvenuti durante la comunicazione
Itis Euganeo- Naso Michele a.s. 2003-2004
4/7
Wireless Livello Linea
Bit 1
Bit 0
Codice a 10-chip
associato a 0
Codice a 10-chip
associato a 1
La figura seguente mostra lo schema base della funzione svolta da un trasmettitore in DSSS
Portante
Messaggio da trasmettere
Segnale trasmesso
Modulatore
Chip sequence
Le WLAN utilizzano prevalentemente la tecnica DSSS
Esistono diverse versioni dello standard che si differenziano per la velocità e per la banda
utilizzata.
Gli standard attualmente approvati utilizzano:
Standard Approvati
802.11b
802.11a
802.11g
Velocità
massima
11Mbps
54Mbps
54Mbps
Banda
2,4-2,497Ghz
5,15-5,875Ghz
2,4-2,497Ghz
Dalla tabella possiamo ricavare che i dispositivi della versione “b” e “g” sono interoperabili dal
momento che utilizzano la medesima banda mentre la versione “a” deve utilizzare solo dispositivi
della categoria “a”. Sistemi che utilizzano la tecnica DSSS si dice che sono sistemi a spettro
espanso (Spread Spectrum) perché utilizzano una banda più ampia rispetto a quella strettamente
Itis Euganeo- Naso Michele a.s. 2003-2004
5/7
Wireless Livello Linea
necessaria. I sistemi che utilizzano la banda strettamente necessaria si chiamano sistemi a banda
stretta (Narrow Band)
Le reti che utilizzano lo standard 802.11x utilizzano una delle seguenti topologie:
• Ad-Hoc: le stazioni utilizzano un collegamento punto punto
• Infrastructured: Viene utilizzato un dispositivo ricetrasmittente AP (Access Point) con il
quale tutte le stazioni sono in comunicazione
• Portal: Sono AP dotati di una scheda di rete wired per collegare stazioni mobili o l’intera
rete wireless alle reti wired
FHDD
In questa tecnica l’espansione dello spettro si ottiene dividendo la banda ISM#2 in 79 canali da 1
Mhz ciascuno e trasmettendo il segnale , un impulso positivo per trasmettere 1 e un impulso
negativo per trasmettere 0 ,associato ad ogni bit su una diverso canale scelto utilizzando un
algoritmo casuale.La sequenza casuale dei canali è nota solamente al trasmettitore e al ricevitore. Il
numero dei salti al secondo è 1600. Questo metodo non amplia lo spettro del segnale se si considera
un singolo bit ma lo estende se si considera un intero carattere. Relativamente ad un singolo bit lo
schema è a banda stretta mentre è considerato a spread spectrum si considera un intero carattere.
Questa tecnica tende ad evitare il disturbo. Le comunicazioni che utilizzano la tecnica FHDD non
sono in grado di autocorreggere un eventuale errore avvenuto durante al comunicazione
Messaggio
1
0
1
1
0
0
Frequenza del
segnale trasmesso
1
t
dwell
Canale 4
Canale 3
Canale 2
Canale 1
t
Il dwell (dimora) è il tempo di permanenza del trasmettitore in un canale.
Il metodo FHDD è utilizzato nella tecnologia Bluetooth, il nome è derivato dal re vichingo Harald
Blatand detto “Bluetooth” che nel X secolo unificò due paesi, allora, molto diversi come la
Norvegia e la Danimarca convertendoli alla religione cristiana. Per analogia possiamo affermare
che l’obiettivo è quello di collegare apparecchiature dissimili diversamente destinate a restare
isolate. Bluetooth, nata per collegamenti su breve distanza , in un raggio di dimensione massima
intorno ai 100 mt e con velocità di trasmissione che arrivano ai 10 Mbps, permette di far dialogare e
interagire apparecchiature disparate come cellulari, portatili, stampanti, impianti HiFi, cuffie,
microfoni, palmari, agende elettroniche, videoproiettori,televisori, frigoriferi e così via, in modo da
creare una Wpan o piconet. Bluetooh consente sia collegamenti punto-punto e sia collegamenti
multipunto da un dispositivo verso altri dispositivi fino a un massimo di 8 con tendenza a portarli a
Itis Euganeo- Naso Michele a.s. 2003-2004
6/7
Wireless Livello Linea
16. Si possono collegare Wpan tra loro ottenendo delle Scatternet.A differenza dello standard IEEE
802.11x integra voce e dati.
Se vuoi puoi inserire i seguenti schemi di collegamento dopo averli personalizzati
Schemi di collegamenti:
Collegamento diretto tra due Stazioni mobili WLan
Collegamento diretto in configurazione ad anello WLan
Collegamento con Access Point WLAN
Collegamento con Portale WLAN
Topologie Bluetooh
Itis Euganeo- Naso Michele a.s. 2003-2004
7/7
Titolo:
Wireless: tecniche di comunicazione
Autore:
Michele Naso
Email:
[email protected]
Classe:
QUINTA INFORMATICA (5IA)
Anno scolastico:
2003/2004
Scuola:
Itis Euganeo
Via Borgofuro, 6
Via Borgofuro 6 - 35042 Este (PD) - Italy
Telefono 0429.21.16 - 0429.34.72
Fax 0429.41.86
http://www.itiseuganeo.it
[email protected]
Note legali:
Diffusione consentita con obbligo di citare le fonti