RETI WIRELESS

RETI WIRELESS
Classificazione reti wireless –
per struttura
Reti di calcolatori
Wired
Wireless
infrastrutturate
con BS/AP semi strutturate
noninfrastrutturate
senza BS/AP
Classificazione reti wireless –
per dimensione
WWAN: globali - cellulari (UMTS, CDMA200)
WRAN: regionali – WiMax
WLAN: locali – WiFi
WPAN: personali – Bluetooth
WBAN: corporali
………
Classificazione reti wireless –
per tipo
 RFID
 sensori
 zigbee
 bluetooth
 MANET – mesh
 WiFi
 WiMax
 cellulari
 cognitive radio
 VANET
 …….
Tutte usano comunicazioni wireless
(radio, IR, laser, acustiche, …)
Caratteristiche reti wireless
Topologia FISICA e topologia LOGICA
Antenna+frequenza qualunque (dal protocollo)
Topologia fisica a diffusione a tratti, tranne che per
antenne direzionali e altissime frequenze (IR, laser,
ottico)
Topologia logica qualunque, a seconda del modo di
comunicare (del protocollo usato)
Reti single-hop e multi-hop
Topologia infrastruttura e totale (infrastruttura + utenti)
5Gutenti nei cellulari!
Topologia statica e dinamica (reti mobili)
Antenne
Trasmissione LOS e NLOS
Tipi di antenne: a guadagno fisso
(tradizionali) ed “intelligenti” (smart
antennas)
Guadagno di antenna: sensibilità nella
ricezione
Antenne tradizionali
Guadagno antenna (amplificazione)
Antenna Sub-type Beamwidth (Degrees) Gain(dBi)
Omnidirectional
360 0–15
Patch/Panel 15–75 8–20
Sector
180 8–15
120 9–20
90 9–20
60 10–17
Directional Yagi
10–30
8–20
Parabolic refl ector 5–25 14–30
dBi= decibel isotropico – segnale (minimo) di riferimento
Guadagno di antenna
guadagno di una antenna = segnale ricevuto antenna
considerata /segnale ricevuto da un'antenna isotropa (cioè
perfettamente omnidirezionale).
Nella pratica, antenna di riferimento = dipolo (antenna
realmente isotropa è un'idealizzazione fisicamente impossibile)
Dipolo ha un guadagno di 2,15 dB rispetto ad una sorgente
isotropa ideale (teorema)
Le antenne reali irradiano più di un'antenna isotropa in alcune
direzioni e meno in altreun segnale captato più intenso in
certe particolari direzioni
guadagno = capacità dell'antenna di concentrare il campo
elettromagnetico in una data direzione misurato nella direzione
in cui l'antenna ha la massima emissione o ricezione
Decibel
Metrica generale per numeri puri:
Decibel di un numero A => 10 log10 A dB
Adimensionale: la dimensione si specifica dopo. Ad esempio,
dBm = decibel metri (A è in metri). Se A= 1000  dB A = 30
(oppure: A= 30dB)
Usato per rapporti. Esempi:
il rapporto fra una tonnellata e un chilogrammo è 1.000:1, o
3 bel, o 30 decibel
il rapporto fra un eurocent e 1000 euro è 1:100.000, ossia - 5
bel, o - 50 dB
il rapporto fra l'intensità sonora (espressa in W/m2) di un
concerto rock e quella di una normale conversazione è di
1.000.000:1, o di 6 bel, o di 60 dB.
Antenne intelligenti
+ antenne trasmettono in parallelo in direzioni diverse
Switched beam antenna: array di antenne direzionali – se ne usa 1 alla volta (la migliore)
Adaptive beam forming: si usano tutte con guadagni diversi
MIMO: si usano tutte su frequenze diverse + segnali in parallelo
Antenne al plasma: plasma a stato solido su silicio (veloci)
Antenne multibeam
• Model MB2-90V6-24
• Frequency Band, GHz 2.400 - 2.490
• Polarization Linear, Vertical
• Sector Coverage 90°
• Beams per Sector 6 Simultaneous
• Beam Width Azimuth 15° (+/- 2°)
• Beam Width Elevation 10° (+/- 1°)
• Gain, dBi (Minimum) 17.6
• First Sidelobe, dB >18.0
• F/B Ratio, dB >35
• Cross Polarization Discrimination (XPD), dB 25
• Antenna to Antenna Isolation, dB Min.
• Horizontal 4-in. spacing >50 dB
• Vertical 24-in. spacing >70 dB
• VSWR Max. (R.L.) 1.50:1 (14.0)
• Input Connector Type / Impedance Type N Female / 50 ohm
• Maximum Input Power (per beam) 3 Watts
Fondamenti di comunicazione radio (1)
Comunicazione mediante onde elettromagnetiche
descritte dalle 4 equazioni di Maxwell (1873)
4 tipi di propagazione:
 onde superficiali (via terra): polarizzazione verticale 
antenne orizzontali. Corrente alla terra  viaggiano
sulla superficie terrestre a grandissime distanze.
Frequenze molto basse (onde cortissime)
 onde “sky” (via cielo): rifratte dalla ionosfera. Onde
medie e corte (frequenze 3-30MHz) a lunghe distanze.
Poca potenza. Dipende dalla geografia e dall’ora
(ionizzazione atmosfera)
Onde elettromagnetiche
In un campo elettromagnetico,il campo elettrico ed il campo
magnetico oscillano in direzioni tra loro perpendicolari ed a
loro volta perpendicolari alla direzione di propagazione
(onde trasversali)
La loro velocità di propagazione nel vuoto è pari a quella
della luce.
Onde elettromagnetiche
Fondamenti di comunicazione radio (2)
 onde “free space” (senza rifrazione). UHF e VHF: alte ed
altissime frequenze. Onde dirette (LOS) e riflesse dalle
superfici (multipath). Caso ideale: nessun riflesso
Energia ricevuta:
G= guadagno antenna trasmittente, P= potenza trasmessa, d=
distanza dalla trasmittente
Potenza ricevuta:
Gr= guadagno antenna ricevente, = lunghezza onda (frequenza)
Vale x piccole distanze e in condizioni ideali (aria secca)
Fondamenti di comunicazione radio (3)
 onde “open field”: su terreno aperto, con
somma vettoriale dei segnali
(SEMPRE!). Si considerano anche le onde
riflesse
Fondamenti di comunicazione radio (4)
Onde riflesse: sfasate (per distanze più lunghe) e
attenuate
Distanza onda riflessa = distanza onda diretta +
x  onda sfasata di 180°  cancella la diretta
x/2(x dispari)onda in faserafforza la diretta
Caso terreno piatto:
d1
h1 d2 h2


Fondamenti di comunicazione radio (5)
Il segnale ricevuto dipende da vari fattori:
– Composizione chimica del terreno (H2O)
– rugosità
– polarizzazione segnale
– angolo  di incidenza
– …..

Forza campo
dm dipende dall’altezza
dm free space
open field distanza
dell’antenna: antenna + alta + lontano
Diffrazione
Permette la comunicazione NLOS
(attorno ai radio-ostacoli)
T
R
Diffrazione (2)
Guadagno di diffrazione: dipende dalle distanze,
dall’altezza e dalla lunghezza d’onda
Dispersione (scattering): dispersione del segnale
in tutte le direzioni, causa superfici radiocorrugate. Altezza critica (max differenza tra alti
e bassi nella superficie - sotto è liscia):
hc= /8 cos i
(i angolo di incidenza onda)
Path loss (isotropico-potenza in ricezione):
PL= Pt Gt/Gr
1/PL = PG path gain:
(nello spazio libero). In realtà non è formula
Diffrazione (3)
Negli spazi reali va misurato, per scattering, attenuazioni,
ecc. Buona approssimazione:
d0 distanza di rif.
d distanza
Indica l’attenuazione del segnale con la distanza.
Valori sperimentali tipici: free space n=2; open field n=4;
cellulari città n tra 2.7 e 4; cellulari in ombra n tra 5 e 6;
edificio (a vista) n tra 1.6 e 1.8; edificio (NLOS) n tra 4 e 6.
Esempio: WiFi ha raggio 300m outdoor e 34 m indoor.
Inoltre, n fluttua nel tempo!!
Multipath + fading
Segnale ricevuto = somma (vettoriale) di tutti i
segnali, diretti e riflessi indoor sono molti
 variazioni potenza segnale (anche x movimenti
delle persone)
 distorsione in frequenza (frequency selective
fading): si ricevono solo le armoniche più forti
 spread del ritardo (distanze percorse sono
diverse): effetto “eco”
 fading totale = distorsione totale del segnale:
oltre ai precedenti, anche pioggia, foglie, acqua,
umidità, ecc.
Fading
Flat & Rayleigh FADING
È il multipath a corte distanze  distorsione in
frequenza trascurabile, banda stretta : nostro caso
Due tipi: LOS e NLOS.
LOS: segnale principale forte + riflessi–outdoor open
NLOS: solo segnali riflessi-indoor e outdoor urbano
NLOS è descritto dalle equazioni di Rayleigh:
R(t) = r cos(2π fc t +θ) [ r=picco segnale, θ= fase ]
densità probabilità Rayleigh
 = varianza di R(t)
Tecniche di diversity
Come migliorare la qualità del segnale ricevuto (diminuire il fading)?
uso di + canali “indipendenti”
 space diversity: + riceventi (anche antenne) in posti diversi
(antennine TV, modem, WiFi, ecc.). Si sceglie il segnale migliore (+
forte). Svantaggi: antenne anche molto distanti (tra 0.5 e 0.8  
300MHz = 0.5 metri)
 frequency diversity: uso di + frequenze molto diverse tra loro. Si
sceglie il segnale migliore. Svantaggi: spreco di banda e di potenza
 polarization diversity: uso di antenne verticali ed orizzontali . +
economico ma – efficace
Tecniche anche combinabili assieme
Uso delle tecniche di diversity
In pratica, si usa il max ratio combining somma di
tutti i segnali ricevuti, dopo averli riportati alla stessa
fase  circuiti duplicati  maggior costo. Inoltre, si
può ripetere il messaggio + volte
Fast fading e slow fading (in base al movimento del
ricevitore). Fast: meglio 1 antenna. Slow: meglio +
antenne.
La diversity aiuta? Certo! Se si vuole un errore
dell’1%, si possono usare 2 canali con errore del 10%
e combintati: 0.1x0.1=0.01 cioè 1%. Esempio
pratico: invece di una trasmittente da 400mW ne
bastano 2 da 40mW ciascuna. Costano molto meno!
Rumore (Noise)
Similitudine tra acustica e trasmissioni radio
Rumore: disturbo principale (quasi) ineliminabile
Due tipi di rumore: radiazioni interferenti
all’antenna e rumore elettrico nei circuiti del
ricevitore
Segnali intenzionali interferenti (collisioni) e rumore
non intenzionale
Rapporto segnale/rumore (SNR): diminuisce al
diminuire della ampiezza di banda (ma diminuisce
anche la capacità del canale si trasmette più
lentamente)
Uso di codici correttori
Tipi di rumore
 rumore atmosferico diurno: tra 10KHz e 100MHz;
300 microvolts/m
<
 rumore atmosferico notturno: tra 10KHz e 70MHz;
< 1000 microvolts/m
 rumore cosmico (sole e stelle): tra 10 MHz e 3 GHz;
tra 0.1 e 1 microvolts/m
 rumore circuitale: tra 100 MHz e 10 GHz; tra 0.05 e
70 microvolts/m
 rumore “umano” (campi elettromagnetici artificiali):
tra 1 MHz e1 GHz; urbano: tra 10 e 700 microvolts/m;
extraurbano: tra 7 e 200 microvolts/m
Ipotesi: banda ampia 10KHz e antenna dipolare.
Rumore riducibile usando antenne direzionali
Teorema del
campionamento
Si definisce Nyquist rate la più alta
frequenza
in un segnale continuo e limitato
Teorema del campionamento di Shannon
(Claude E. Shannon, 1949): Se si raccolgono
campioni con frequenza almeno doppia della
frequenza di Nyquist il segnale può essere
ricostruito FEDELMENTE in ogni suo punto
Tecniche di trasmissione radio:
parametri
Onde radio=onde continue: come si possono usare per trasmettere
0 e 1 (in ambiente rumoroso)?
Parametri:
 1temporizzazione: quanto durano?
 2DC content: livello medio msg deve essere costante
 3 spettro potenza: + piccolo  meno rumore
 4 error detection: deve essere inerente alla tecnica
 5 probabilità di errore: per il SNR
 6 indipendenza dalla polarità: dipende dalle inversioni di fase
Codifiche per digitale
NRZ: non-return to zero. Codifica diretta: 0=-x; 1=+x. Usata
in elettronica ma non in trasmissioni radio. NON ha 4 né 5.
Difficile contare 0 o 1 in lunghe sequenze di 0 o 1.
Manchester: usata in Ethernet. Buone 1 e 2. Non ha 6.
Necessita di frequenza doppia rispetto a NRZ e di
sincronizzazione tra trasm. e ric. (carica dei capacitori)
Biphase Mark: lo 0 non ha transizioni interne, l’1 si. Tutti
hanno transizioni esterne. Proprietà come Manchester, ma con
6 in +
Ampiezza di impulso: gli 1 sono di durata doppia rispetto
agli 0. Sempre transizioni esterne, anche tra simboli di ugual
valore. 1,2 e 4 molto buoni
Tipi di modulazione: AM
Modulazione di ampiezza (AM)
Tipi di modulazione: FM
Modulazione di frequenza (FM)
Tipi di modulazione: PM
Modulazione di fase (PM)
Modulazioni per binario
In binario, si chiamano:
AM ASK (amplitude shift keying)
FM FSK
PM PSK
ASK: - banda, - potenza, - costo, + errori
FSK: + costo, - SNR (- errori), no segnali
deboli
PSK: facile al trasm., difficile al ric. Migliore x
alte prestazioni
Confronto modulazioni
Error rate vs bit energy: ASK = FSK
Potenza di picco e media: in FSK sono =, in ASK
no problema perché esistono limiti legali (diversi
per stati diversi), per dati sporadici
Per dati “continui” (voce telefonate) si usa il
Pi/4 Differential PSK , oppure il Gaussian Minimum
Shft Keying (in GSM), oppure CDMA (in UMTS e
telefonia mobile III generazione)
Metrica per confronto: SNR = S/N oBT con
S=segnale, No = densità rumore (in Watt/Hz) e B T
= banda minima x il tasso trasmissione voluto (in
Hz)
Proprietà modulazioni
Energia del segnale (in Joules): E=S/R
R=data rate
No = K T = 1,38 10exp-23 T K=costante di Boltzmann, T=
temperatura equivalente = rumore termico in resistenza a
temperatura T. Esempio: se T=18°  No = 4x10exp-21 W/Hz
= -174 dBm/Hz
Si cercano modulazioni che portino a: – banda + prestazioni
–BER e – consumo energia (mobilità)
Banda di Nyquist = banda minima per trasmettere 1 bit
senza interferenze = 1/2 bit rate max n° bits per Hz=2
banda di X KHz = 2X Kbps (in teoria)
In realtà si trasmettono simboli e non bits
Trasmissioni parallele
Simboli = + bits in parallelo  non si trasmette in
binario, ma in n-ario (tipicamente n potenza di 2)
Modulazioni M-ASK, M-FSK M-PSK (M= arietà)
Esempio: QAM (quadrature amplitude modulation)
fatta con ASK e PSK assieme, con cambio di fase
di 90° (per M=4)
QAM
Limite capacità canale
M può essere illimitato, o esiste un limite fisico?
Canale = via di comunicazione o propagazione di un segnale
Esiste un limite fisico (teorema di Shannon-Hartley 1948):
Capacità max canale C=B log 2(1+S/N) , B=banda canale
Principio base della M-modulazione: 2 o + dati diversi modulati
assieme sulla stessa frequenza e portante, sfasati di X° il BER
non cambia ma si trasmettono + dati nello stesso tempo
Spread spectrum
Tecnica comunicazione ad “ampio spettro” inventata
negli USA nel 1943 per comunicare in chiaro senza
essere compresi  non bisogno di codici segreti
Oggi usata per sicurezza e per diminuire la potenza dei
segnali
Leggi limitano la potenza dei segnali a 10-1000 mW
per diminuire le interferenze tra segnali diversi
Le trasmissioni S.S. sono permesse assieme a
trasmissioni a banda stretta perché interferiscono
pochissimo  permesse potenze maggiori
Vantaggi spread spectrum
• Le leggi permettono potenze maggiori
• meno interferenza co-canale
• meno multipath
• Meno jamming (volontario o involontario)
• Meno intrusione (ascolti nonautorizzati)
• Permette CDMA  più utenti nello stesso canale
4 tipi di spread spectrum: FHSS, DSSS, Chirp, THSS
Frequency Hopping Spread Spectrum
Ferquency hopping spread
spectrum (FHSS)
Si salta velocemente di frequenza (su decine
di frequenze). Banda = numero delle
frequenze x ampiezza di ciascuna. Ordine
frequenze saltate = codice.
Fast e Slow FHSS: fast + salti in un bit;
slow + bits x salto
Direct Sequence Spread Spectrum
Direct sequence spread spectrum
(DSSS)
Segnale modulato con 1 codice, con bit rate
codice > bit rate dati
Prima si modula (moltiplica) la portante con
un codice, poi si modula la risultante con i
dati. Gli elementi del codice sono i “chip”s
Chirp e THSS
Chirp
Un chirp è un segnale nel quale la frequenza varia
linearmente con il tempo, crescendo (up-chirp) o
decrescendo (down-chirp)(tipo FM)
THSS
Time Hopping Spread Spectrum: intervalli tra i segnali
modulati di lunghezza variabile con microimpulsi di durata
dell’ordine dei nanosecondi. Lunghezza intervalli = codice
Confronto tra i metodi SS
Quale è meglio?
FHSS consuma meno potenza di DSSS
FHSS ha minor data rate di DSSS
FHSS è più veloce nella codifica di DSSS
FHSS è più immune dalle interferenze di DSSS
FHSS è meno flessibile di DSSS
THSS era proibito per legge fino a poco tempo fa
Si possono usare anche più metodi assieme
INFRAROSSI
Lunghezze d’onda tra 0.78 m e 1000 m (1
mm), cioè frequenze tra 300 GHz e 384615
GHz
Infrarossi prodotti da oscillazioni di molecole.
Divisi in 3 bande:
NEAR: tra 0.78 m e 2.5 m  tra 12.800 e
4000 onde x cm
MIDDLE: tra 2.5 m e 50 m  tra 4000 e 200
onde x cm
FAR: tra 50 m e 1000 m  tra 200 e 10 onde
x cm produce calore
INFRAROSSI (2)
Per le comunicazioni, si usa la near: costa molto
poco (i telecomandi la usano)  LED (tra 0.78 m e
1 m) e fotodiodi (fotocellule)
Principi di comunicazione simili a quelli radio, ma +
semplici: non ci sono guadagni di antenna,
multipath, perdite di potenza, ecc.
Unità di misura potenza IR: mW/sr sr= steradian
Lo steradiante (simbolo sr; nome derivante dal
Greco stereos, solido) è l'unità di misura del
Sistema internazionale per l'angolo solido, il
corrispondente tridimensionale del radiante.
Steradiante
Steradiante = angolo solido, con vertice al
centro di una sfera di raggio r, che sottende
una calotta sferica di area A pari a quella di
un quadrato di lato r.
Area sfera = 4πr2, area della calotta sottesa
= r2, l'intera sfera sarà sottesa da un angolo
solido di misura 4 sr
Calcolo steradianti
Angolo solido S S=A/R*R steradianti
Siccome A=2R*R(1-cos )  S= 2(1-cos )
Ad 1 mt 1 angolo di 1 sr sottende un’area di 1 mt
quadro
Per piccoli angoli, A può essere approssimata con
un disco e non una calotta. In questo caso
S=r*r/R*R (r=raggio disco). Es.: =15° S=2(1cos 15°)=0.214
I LED funzionano come antenne
direzionali ad angolo molto stretto:<15°
Caduta potenza come R*R
Fotodiodi
Fotodiodi di diversa sensibilità (in W/cm*cm). Esempio: se
LED emette a 40 mW/sr ad 1 mt si riceve 40 mW/m*m= 4
W/cm*cm.
La potenza ricevuta dipende dall’angolo di incidenza e dalla
sensibilità alla lunghezza d’onda
Distanza max segnale IR ricevibile:
Ee = irradianza
Si può aumentare moltissimo usando lenti focalizzanti (vedi
telecomandi) e usando superfici IR riflettenti (alluminio)