Tecnologie Wireless e opportunità applicative

Presentazione sul tema: "Tecnologie Wireless e opportunità applicative"— Transcript della presentazione:

1 Tecnologie Wireless e opportunità applicative
Torino, 11 aprile 2005 Seminario su tecnologie Wireless Tecnologie Wireless e opportunità applicative Sommario Piccola e Media Industria e Wireless - uno schema di relazione e qualche esempio Cosa può offrire una rete locale senza fili - l’impronta della tecnologia Le tecniche, i limiti, l’integrazione Alcuni spunti Giovanni Colombo

2 Le soluzioni wireless – diversi livelli di integrazione nel contesto produttivo
gateway internet access point Connettività dati connettività all’interno dell’Impresa accesso pubblico in ambito privato accesso pubblico Inclusione nel processo produttivo lettore di TAG RF ID TAG access point

3 La creazione del valore intorno alle reti locali wireless
Fornitore di copertura Impresa privata fondo pubblico Utilizzatore privato pubblico Fornitore di contenuti Gestore di rete

4 La relazione tra gli attori
distribuzione punto-punto diritti d’accesso registrazione contenuti impresa utilizzatore connettività rete autenticazione mobilità affiliazione accesso sicurezza del contenuto copertura locale copertura globale e locale gestione

5 Diverse catene del valore - esempi
il Gestore di rete gestisce anche la rete wireless locale contenuti utilizzatore rete impresa copertura l’Impresa gestisce la rete wireless locale contenuti utilizzatore rete impresa copertura

6 I vantaggi di un sistema globale
Mobilità continua e copertura globale Esternalità della connessione Autenticazione Apertura a terze parti sulle capacità di rete applicazioni servizi service control points controllo di chiamata e di servizio network control La descrizione dell’Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) cercherà di sciogliere il dilemma della dipendenza tra le varie parti del sistema ricorrendo al canonico approccio della separazione dei vari segmenti di rete e di servizio (figura). Non saranno ignorati tuttavia, gli elementi di connessione e di reciproca influenza che, soli, possono dare una visione globale del sistema. PSTN PLMN terminal ISDN GW trasporto radio control switching routing Internet rete core rete d’accesso radio

7 WiMax – la sostituzione della rete d’accesso
WiMAX nasce per fornire copertura broadband wireless alle aree rurali, ma è possibile l’utilizzo anche in città Rural/Urban with fiber or PtP backhaul Metro 3/4/6 sectors Rural with self backhaul Aggregation X Source: Alcatel Tipica configurazione di una cella “metropolitana” L’area di una cella viene suddivisa in settori La capacità di banda di un settore e la copertura si calcolano sulla base di: Canalizzazione adottata (3,5 o 7 MHz) Modulazione: è auto adattativa sulla base della distanza fra la cella e l’antenna ricevente presso il cliente e della qualità del canale trasmissivo (rumore, riflessioni, …). Determina il bit rate disponibile Visibilità antenna-CPE Ambiti d’impiego: Sul local loop come tecnologia alternativa all’ADSL Sul trasporto come sostitutivo dei collegamenti dati Per applicazioni nomadiche Urban BS characteristics: each ‘basic‘ base station covers one sector ‘basic‘ base stations connected to a local switching unit (e.g. incl. access controller) local switching unit connected with a fiber link to the aggregation network 3 to 6 sectors depending on user density and frequency reuse requirements

8 W-LAN – il ruolo originale: un’alternativa alla rete cablata
Hub Switch rete del tutto cablata Internet Una soluzione per: ambienti a difficile cablaggio (es. edifici storici, negozi) ambienti con frequenti riorganizzazioni realizzazione di LAN temporanee (intranet á la carte) ambienti con forti esigenze di mobilità e molti terminali connessi (es. campus universitari) cablatura per i soli Access Point R AP Internet terminali utente

9 W-LAN - un modo per abilitare nuovi servizi
Una soluzione per: mobilità trasparente all’interno dell’azienda roaming sicuro all’interno di aziende partner (senza continuità del servizio durante gli spostamenti inter-aziendali) roaming sicuro con continuità del servizio (anche durante gli spostamenti inter-aziendali con transito su reti wireless geografiche) Rete wireless geografica (GPRS, UMTS) BS BS sede A sede B AP AP WLAN WLAN

10 La bolla personale: una rete a corto raggio attorno alle esigenze della persona - l’esempio del mobile cuffie terminale mobile memoria palmtop PDA

11 Una soluzione per la rete personale - bluetooth
Rete locale senza fili (dalla radio frequenza alle applicazioni) Connettività tra: apparati di comunicazione (PDA, terminale mobile, notebook) terminazioni domestiche, PC, elettrodomestici, sistemi di controllo apparati di una catena produttiva Blootooth: Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba, INTEL i promotori basso costo, basso consumo energetico completa connettività locale banda non licenziata intorno ai 2.4Ghz, frequency hopping, raggio massimo intorno ai 10m, fino a 500 Kbit/s, funzioni di master/slave connessioni sincrone ed asincrone

12 Comunicare attraverso l’identità - le TAG passive e attive
tecnica in rapida diffusione non alimentate (accoppiamento elettromagnetico con il reader) breve raggio di azione (<1.0 m) funzioni di elaborazione limitate e contenuto informativo dell’ordine delle decine byte produttori: LabID, Oxley Inc., Intermec, RFID Inc. dimensioni tipiche: 3x5cm frequenza tipica MHz; progettazione antenna secondo parametri di accoppiamento di tipo induttivo o capacitivo costo: RF-TAG ~ € 0.30; reader ~ € 30

13 Tecnologie Wireless e opportunità applicative
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14 SCS: Service Capability Server
UMTS – il modello Open Service Architecture un’apertura che può creare nuove opportunità Valore in: indipendenza dal Costruttore creatività esterna Valore in: abilitazione di nuove applicazioni basate sulle capacità di rete valorizzazione della creatività esterna user user Operator application Third party developer Third party provider API external SCS internal SCS Valore in: riuso di specifiche funzioni di rete efficienza delle risorse Operator network resources SCS: Service Capability Server

15 Standard per Metropolitan Area Networks (WMAN)
IEEE Radio access solutions for Metropolitan Area Networks; banda 10-66GHz IEEE a Radio access solutions for Metropolitan Area Networks; amendment al per banda 2-11GHz IEEE c Detailed system profiles for .16 IEEE d Detailed system profiles for .16a IEEE e Amendment to : Air interface for fixed and mobile in licensed bands IEEE Full mobility IEEE Handover (tra WLAN, WMAN, Eth; interop. con 2.5-3G)

16 WiMAX – una vocazione rurale (che può essere estesa)
banda di frequenza a 3,5 Ghz (più probabile in Italia) 28 Mhz di banda a disposizione di un operatore (su 200 complessivi) cella a 4 settori Modulazione Capacita’ di banda per settore a 3,5 e a 7 MHz Raggio LOS a 3,5 e a 7 MHz Raggio NLOS con CPE “outdoor” a 3,5 e a 7 MHz Raggio NLOS con CPE “indoor” a 3,5 e a 7 MHz 4 QAM 2,3  4,5 Mb/s 10  9 Km 2  1,8 Km 0,4  0,35 Km 16 QAM 4,6  9 Mb/s 7,5  6,5 Km 1,5  1,3 Km 0,3  0,25 Km 64 QAM 9,2  18 Mb/s 6  5 Km 1  0,8 Km 0,25  0,2 Km In aree urbane copertura limitata dai numerosi ostacoli alla propagazione del segnale (1-2 km. con CPE outdoor, dai 200 ai 400 mt. con CPE indoor). Necessario installare numerose stazioni radio base (> investimenti) In aree rurali utilizzata in modo efficiente e con minor impegno di risorse (copertura di una cella: da 5 a 10 km di raggio in LOS) Servizi: banda massima per settore tra i 9 e i 18 Mb/s: tecnologia critica per la fornitura di servizi a banda molto larga”, come ad es. la TV. Servizi tipici: voce + Internet, anche grazie alla possibilità di assegnare classi di priorità al traffico.

17 WiMax – un’alternativa all’accesso su rame?
Wired solution (ADSL) WiMAX Rame DSLAM IAD VoIP PC IP Backbone IP router SW ATM router modem BS CDN 155Mbit/s Air Interface BRAS Modem + antenna In order to make a comparision with WiMAX only the access costs have to be compared. For residential and SOHO users, in the wired solution we have: ULL shared access, leased lines and the OLO resources: DSLAM, ATM SW, BRAS. The IAD, the VoIP platform and the PSTN interconnection are also needed in the WiMAX scenario. For business users we have: An IP connectivity service (rented from the incumbent operator) to connect the business router to the OLO POP WiMAX The OLO resources: Subscriber station and base station. The link between BS and the OLO POP is supposed to be a microwave link.

18 Caratteristiche dei sistemi WLAN - le capacità
IEEE ETSI 802.11b 802.11a 802.11g HIPERLAN/2 Banda 2.4 GHz 5 GHz 2.4 GHz 5 GHz Nominale 11 Mbps 54 Mbps 54 Mbps 54 Mbps Reale Max 7 Mbps 35 Mbps 35 Mbps 35 Mbps Throughput throughput funzione del traffico da 700 kbps a 7 Mbps per utente (da 10 a 1 cliente per AP) Tipico per utente (max 10 nodi) da 700 kbps a 7 Mbps n/a n/a n/a Capacità Access Point ~50 Utenti n/a n/a n/a Mobilità Sistema nomadico (velocità inferiore a 30 km/h) Nomadico (< 30 km/h) Copertura 10-40 mt @11Mbps 5-10 mt @35Mbps 10-40 mt @15Mbps n/a n/a Disponibilità Apparati Diffuso sul mercato In vendita negli USA 2H-2002 (Cisco) Primi prototipi

19 Il confronto con i sistemi 2.5-3G
WLAN Sistemi Radiomobili IEEE 802.11b GPRS UMTS Le WLAN sono adatte a realizzare coperture radio in aree poco estese aree indoor o outdoor molto circoscritte proibitivo realizzare coperture WLAN in aree outdoor estese Il throughput: punto di forza di WLAN già per IEEE b è superiore rispetto ai sistemi 2.5-3G gap destinato ad aumentare evoluzione verso i 5 GHz throughput reale fino a 35 Mbps La mobilità all’interno di una WLAN è limitata (max 30 Km/h) Banda [Ghz] 2.4 0.9 e 1.8 2.2 Nominale 11 Mbps 7 Mbps 170 Kbps 2 Mbps Reale Max 53.6 kbps DL 384 Kbps Throughput Tipico per utente da 700 kbps a 7 Mbps (da 10 a 1 utenti/AP) 30-40 kbps DL, kbps UL Da 64 a 384 kbps ¹ ² (da 30 a 3 utenti/cella) QoS Best Effort Garantita Best Effort Garantita Best Effort Nella tabella sono riassunte le caratteristiche principali dei sistemi WLAN e sono confrontate con quelle dei sistemi mobili (i.e. GPRS e UMTS). I sistemi WLAN sono adatti alla realizzazione di coperture in ambienti indoor ed in aree poco estese, essendo nati come sostituzione del cavo per le reti LAN. È quasi impraticabile invece realizzare la copertura WLAN di un’area outdoor molto estesa, come ad esempio un’intera città o addirittura una nazione. Attualmente lo standard dominante per le reti WLAN è lo standard IEEE b, che opera nella banda ISM (Industrial Scientific Medical) dei 2.4 GHz, per il cui uso non è richiesta la concessione di una licenza governativa. Il punto di forza della WLAN rispetto ai sistemi mobili è la capacità disponibile sul canale radio, che oggi è pari a 11 Mbps (IEEE b), ma in un prossimo futuro salirà a 54 Mbps (IEEE a e g). Per i sistemi mobili GPRS ed UMTS, invece, la capacita è rispettivamente di 170 Kbps e di 2 Mbps. I valori indicati rappresentano la capacità massima nominale, ovvero la capacità lorda, che si riduce, considerando gli overhead per la trasmissione dei dati, per la gestione del canale radio, etc., ad un valore di circa 7 Mbps per le WLAN, 63.6 kbps per il GPRS e 384 kbps per l’UMTS. La capacità reale disponibile per utente dipende dalle ipotesi di servizio. In generale si può dire che in un sistema WLAN ogni singolo Access Point (AP) può fornire una capacità media per utente variabile da 700 Kbps ad 7 Mbps, nell’ipotesi piuttosto realistica di avere non più di una decina di utenti contemporaneamente presenti nell’area di copertura di un singolo AP (tipicamente 10-40mt in ambienti indoor). Per il sistema UMTS, invece, si va da 384 kbps/utente, con 3 utenti per cella, a 64 kbps/utente, con 30 utenti per cella. Il valori riportati per il sistema UMTS sono calcolati senza considerare la contemporanea presenza del servizio voce (che riduce la banda disponibile per i servizi dati) e nell’ipotesi che tutti gli utenti richiedano un servizio di tipo best-effort. Essi vanno quindi interpretati come ordini di grandezza, in quanto nella realtà i fattori che influenzano la capacità realmente disponibile sono molti, come ad esempio l’effettiva classe di servizio richiesta dall’utente e le condizioni elettromagnetiche. Un altro elemento importante di distinzione tra la tecnologia mobile e la teconologia WLAN è la mobilità, che per le WLAN è supportata all’interno di una area di copertura soltanto con velocità del terminale minore di 30 km. Per i sistemi GPRS ed UMTS, invece, la tipologia di copertura è geografica con una velocità del terminale fino a 300 km/h. Mobilità Nomadicità Geografica Copertura singola cella 10-40 mt @11Mbps Da 500 mt a 30 km Da 100 a mt (¹) Servizio dati interference sensitive (²) Minore nel caso di contemporanea presenza del servizio voce

20 I raggi di copertura - indoor
Variano a seconda dello standard, del costruttore e della potenza di trasmissione comprensiva del guadagno di antenna [EIRP] (sempre entro i 100 mW) Cisco Indoor: • 130 ft 11 Mbps • 350 ft 1 Mbps Outdoor: • 800 ft 11 Mbps • 2000 ft 1 Mbps Lucent-Orinoco Indoor: • 80 ft 11 Mbps • 165ft 1 Mbps Outdoor: • 525 ft 11 Mbps • 1750 ft 1 Mbps Nokia Indoor: • 66 ft 11 Mbps • 327 ft 1 Mbps Outdoor: • xxx ft 11 Mbps • 1308 ft 1 Mbps 11 5.5 2 1 Il throughput nominale raggiungibile varia in rapporto alla distanza dall’Access Point (stazione) nella modalità di gestione automatica, altrimenti è fissato 20-40m 40-80m 80-100m

21 Copertura di interni con W-LAN
La copertura è assicurata da 10 access point che trasmettono con una potenza di 13dBm.

22 Dalla copertura alle frequenze: piano di frequenza o selezione dinamica
2.4 GHz piano di frequenza 5GHz – dynamic frequency selection 1 misura della potenza ricevuta 2 trasmissione all’Access Point 3 selezione frequenza effettuata da AP 4 cambio della frequenza (in broadcast) 1 6 11 1 1 6 11 2,412 GHz 2,437 GHz 2,462 GHz 2 7 12 2,417 GHz 2,442 GHz 2,467 GHz 3 8 13 2 2,422 GHz 2,447 GHz 2,472 GHz 4 4 9 2,427 GHz 2,452 GHz AP Banda 3 5 10 2,432 GHz 2,457 GHz 2,4 GHz 2,4835 GHz

23 Le configurazioni di rete della W-LAN
Infrastructure configuration Gli access point connessi a reti esterne (bridge function) Comunicazione sempre attraverso AP Il Basic Service Set (stessa identificazione) può essere estesa all’ Extended Service Set (stessa ESS-ID) Ethernet Ad-hoc configuration Rete indipendente, comunicazione diretta Tutte le comunicazioni con lo stesso Service Set Identifier Stessa chiave di cifratura

24 La sicurezza nella W-LAN
Il mezzo di trasmissione utilizzato (radio) minaccia la sicurezza fisica dei canali Lo standard IEEE prevede due meccanismi di sicurezza: Autenticazione (Open System o Shared Key) Cifratura a livello 2 (data link) tramite WEP I costruttori hanno implementato un ulteriore meccanismo di sicurezza basato su MAC ACL (Access Control List) Questi meccanismi non garantiscono un adeguato livello di sicurezza!!! chiave segreta condivisa Wireless Equivalent Privacy the cat is on the chair XyuvhfbgTsa Fkuydrgu plfoDnvn the cat is on the chair

25 Alcune contromisure per aumentare la sicurezza
Definizione di una politica di configurazione dell’AP modifica delle configurazioni di default collocazione lontano da finestre e aperture limitazione della potenza di emissione dell’AP contromisure fisiche (vetri, vernici e pannelli assorbenti) utilizzo di antenne direzionali Implementazione di un’architettura “sicura” la rete wireless deve essere considerata come untrusted separazione logica della rete wireless mediante firewall utilizzo di meccanismi forti di autenticazione (es. RADIUS) su base utente e non su base condivisa utilizzo di sistemi di Intrusion Detection (per individuare possibili tentativi di attacco) utilizzo di tecniche basate su VPN-IP (per garantire cifratura integrità e autenticità del traffico scambiato) Impiego di 802.1x in alternativa alle VPN

26 Authentication Server
Lo standard 802.1x – controllo degli accessi in due fasi 802.1x è uno standard per il controllo degli accessi a livello 2 che utilizza il protocollo EAP (Extensibile Authentication Protocol) ed è basato sul modello: Supplicant-Authenticator-Authentication Server Semi-Public Network/ Enterprise Edge Enterprise Network EAP Over RADIUS Authentication Server EAP Over Wireless (EAPOW) L’IEEE 802.1x è uno standard per il controllo degli accessi, port-based, a livello 2 dello stack TCP/IP, inizialmente pensato per rendere più sicure le reti LAN IEEE 802. In ambito WLAN viene utilizzato come base per il controllo accessi, l’autenticazione e la gestione delle chiavi WEP. L’architettura IEEE 802.1x coinvolge tre entità (Figura 18): ·         Supplicant: è il dispositivo client che desidera accedere alla rete; ·         Authenticator: è il dispositivo di livello 2 (es.: bridge) attraverso il quale il Supplicant ottiene l’accesso alla rete, se autenticato, tipicamente rappresentato dall’AP; ·         Authentication Server: fornisce un servizio di autenticazione all’Authenticator. Tale servizio determina, sulla base delle credenziali fornite dal Supplicant, l’autorizzazione ad accedere alle risorse di rete. La funzione dell’Authentication Server può essere inglobata nell’Authenticator, (in questo caso si dice che il server è co-located), o, ed è questa la realizzazione più comune, può essere svolta da un dispositivo terzo, remoto (es.: server RADIUS). Authenticator ( Access Point) Supplicant

27 La situazione internazionale
servizi commerciali già attivi (accesso a Internet) soprattutto da parte di operatori mobili (es. in nord Europa) e WISP (es. USA), con tariffe medio-alte (fino a 150 euro/mese) emersione di nuovi ruoli: proprietari di aree hot spot, gestori di reti WiFi, aggregatori e roaming broker gli operatori mobili che sono entrati in questo mercato hanno annunciato strategie di integrazione con sistemi 2.5-3G nuovi segnali (ancora in parte da decifrare) provengono dal mondo ICT (es. Intel, IBM, HP, Microsoft) In USA emergono esperienze spontanee di reti metropolitane WiFi e possibili trasformazioni di queste in modelli strutturati di mercato

28 Tecnologie Wireless e opportunità applicative
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29 2.4 GHz - assegnazioni in Europa
EIRP (mW) ERC/REC Short Range Devices (SRD) Annex 3 Wideband Data Transmission systems and HIPERLANs (ERC/DEC (01)07 - Radio-LAN SRDs in MHz) Annex 1 Non-specific Short Range Devices Annex 6 Equipment for Detecting Movement and Alert 100 25 In verde è riportata l’assegnazione delle frequenze agli apparati WLAN nella gamma 2,4 GHz, in ambito CEPT. La racc specifica inoltre che in questa banda il limite massmo di potenza effettiva irradiata (EIRP) da questi apparati è 100 mW. In aggiunta, allo scopo di ridurre gli effetti delle interferenze da parte di apparati operanti nella stessa banda, la CEPT racconda l’uso di tecnologie trasmissive di tipo spread spectrum. I colori giallo e rosso indentificano le altre due applicazioni previste dalla racc nella stessa banda, cioè gli apparati a corto raggio di tipo non specifico (per esempio, telecomandi e teleallarmi), inclusi nell’annesso 1 e per i quali il limite massimo di potenza irradiata è di 10 mW, e le apparecchiature per la rilevazione di movimenti, inserite nell’anness 6 e per le quali il limite massimo di potenza irradiata è di 25 mW. 10 MHz 2.000 2.100 2.200 2.300 2.400 2.500 2.600 2.700 2.800 2.900 3.000 2.400 2.483,5

30 5 GHz - assegnazioni in Europa
EIRP (mW) ERC/REC Short Range Devices (SRD) Annex 3 Wideband Data Transmission systems and HIPERLANs* (ERC/DEC (99)23 - Harmonised frequency bands for HIPERLANs) Annex 1 Non-specific Short Range Devices 1.000 Indoor only 200 25 In verde è riportata l’assegnazione delle frequenze agli apparati WLAN nella gamma 5 GHz, in ambito CEPT. Le WLAN che operano a queste frequenze sono identificate in CEPT con i sistemi Hiperlan, di cui è definito lo standard ETSI completo. La racc specifica per i sistemi Hiperlan due porzioni di spettro. Nella prima, compresa tra e MHz, gli apparati sono vincolati ad operare in ambienti interni con un un limite massimo di potenze effettiva irradiata di 200 mW. Ciò assicura la coesistenza dei sistemi Hiperlan con il servizio via satellite nella tratta terra-spazio (Fixed-Satellite Service Eath-to-Space), al quale, su base primaria e a livello mndiale, questa banda è stata assegnata. Nella seconda porzione di spettro, compresa tra e MHz, il limite massimo di potenza irradiata è di 1 W. Inoltre, allo scopo di ridurre le interferenze tra sistemi operanti nella stessa banda e per ottimizzare l’uso delle frequenze da parte di piu realizzazioni di rete contemporanee, la racc specifica che i sistemi WLAN in questa gamma di frequenze realizzino meccanismi di controllo di potenza in trasmissione e di selezione dinamica della frequenza. In giallo, infine, è rappresentata la banda assegnata agli apparati a corto raggio di tipo non specifico, con limite di 25 mW di EIRP. MHz 5.000 5.100 5.200 5.300 5.400 5.500 5.600 5.700 5.800 5.900 6.000 5.150 5.350 5.470 5.725 5.875 * Power control mechanisms and dynamic frequency selection mechanisms are to be implemented

31 Capacità e Standard IEEE 802.11a IEEE 802.11g HIPERLAN/2 IEEE 802.11b
Rate del codice Velocità [Mbit/s] Modo Modulazione Rate del codice Velocità [Mbit/s] Modo Modulazione BPSK 1/2 6 BPSK 3/4 9 QPSK 1/2 12 QPSK 3/4 18 QAM 9/16 27 16-QAM 3/4 36 QAM 3/4 54 1 BPSK 1/2 6 2 BPSK 3/4 9 3 QPSK 1/2 12 4 QPSK 3/4 18 5 16-QAM 1/2 24 6 16-QAM 3/4 36 7 64-QAM 2/3 48 8 64-QAM 3/4 54 N.B.: Modes 1, 3 e 5 are mandatory; the other are opzional N.B.: the only optional mode is mode 8 Lo standard IEEE b impiega la tecnica di spreading denominata Complementary Code Keying (CCK) che consente di raggiungere data rate di 5,5 e 11 Mbit/s assicurando nello stesso tempo la compatibilità con i sistemi IEEE a 1 e 2 Mbit/s ovvero mantenendo la stessa banda e lo stesso formato dei pacchetti trasmessi sul livello PHY. Lo standard a, definito per operare nella gamma a 5 GHz, impiega la tecnica OFDM con 52 portanti, delle quali 48 per i dati e 4 per il tono pilota, con canali di 20 MHz. . Allo scopo di ottimizzare le prestazioni del sistema, gli schemi di modulazione e codifica delle portanti OFDM possono essere modificati dinamicamente in base alle caratteristiche del canale radio. I data rate consentiti (chiamati modi fisici) sono otto, dei quali solo tre obbligatori, e consentono una velocità in aria compresa tra un minimo di 6 Mbit/s ad un massimo di 54 Mbit/s. Lo standard IEEE g punta a migliorare le prestazioni dei sistemi nella gamma a 2,4 GHz, consentendo gli stessi data rate dello standard IEEE a. Contemporaneamente esso garantisce la retrocompatibilità con i sistemi IEEE b inclusa l’occupazione spettrale. Ciò è ottenuto tramite l’implementazione dei tutte le tecniche trasmissive previste dagli standard IEEE ovvero: Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) e modulazioni DBPSK e DQPSK per un data rate rispettivamente di 1 Mbit/s e 2 Mbit/s; Complementary Code Keying (CCK) per un data rate di 5,5 Mbit/s e 11 Mbit/s; Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) per un data rate di 6 Mbit/s, 9 Mbit/s, 12 Mbit/s, 18 Mbit/s, 24 Mbit/s, 36 Mbit/s, 48 Mbit/s e 54 Mbit/s. Il livello PHY di HL/2 è basato anch’esso sulla tecnica Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) con 52 portanti, delle quali 48 per i dati e 4 per il tono pilota, con un passo di canalizzazione di di 20 MHz. I modi fisici sono sette dei quali solo l’ultimo è opzionale. Modo Modulazione Rate del codice Velocità [Mbit/s] 1 DBPSK 1/2 1 2 DQPSK 3/4 2 CCK/DQPSK 1/2 5,5 CCK/DQPSK 3/4 11 IEEE b

32 Direct Sequence Spread Spectrum
b(t) 1 t -1 c(t) 1 t -1 Using both time and frequency domains, the sequence previously described can be represented as shown in the figure. The three steps are those preceding modulation and transmission. The information signal b(t), taking values from the set [-1, +1] is a narrowband signal (the power spectrum Gb(f) has bandwidth 1/Tb); in the time domain the rectangular pulses have a duration = Tb. The Pseudo Noise (PN) signal c(t) takes also values from the set [-1, +1] but, due to the very fast variation in the time domain (Tc << Tb), its power spectrum Gc(f) is very wide (bandwidth 1/Tc). The product signal will be characterized by very fast variations as c(t); as a consequence, its power spectrum, given by the convolutional product of Gb(f)*Gc(f), shows nearly the same bandwidth width as c(t). Sequences c(t) are generated by a shift registers. Each PN sequence has a period tied to the number of stages characterising the shift register. The sequences must be as far as possible orthogonal to each other. There are several kind of spreading codes. In general,they can be split into two main categories: short codes and long codes. Short codes (e.g., Walsh codes) allow a better interference control but, due to their limited number, they typically require a complex code management. Long codes (long PN sequences) do not allow a precise mutual interference control but they do not need any code management because their number is extremely high. c(t)b(t) ricezione trasmissione 1 t -1

33 Frequency Hopping Spread Spectrum
salti in frequenza secondo sequenze pseudo casuali (codici) f B La tecnica FHSS prevede il salto di frequenza (Frequency Hop) su 79 canali da 1 MHz all’interno dell’intera banda 24002483,5 MHz (il primo canale è 2402 MHz, l’ultimo è 2480 MHz). Le sequenze che di volta in volta determinano il salto (sequenze di hopping) sono suddivise in 3 gruppi di 22 sequenze in maniera tale da minimizzare le interferenze fra sequenze dello stesso gruppo e consentire la collocazione di celle diverse anche sovrapposte nella stessa area. Con questa tecnica un eventuale interferente non danneggia tutta la trasmissione ma solo parte di essa ovvero solo quella porzione il cui spettro va a sovrapporsi a quello dell’interferente. t Sequenza #1 Sequenza #2 Sequenza #3

34 Multicarrier transmission (OFDMA)
B Tc f Tmc=N•Tsc 1 2 3 t Multiplare su molte sotto-portanti data rate ridotto sulla singola portante Maggior durata di simbolo ridotta interferenza intersimbolica Bassa complessità di equalizzazione

35 Tecniche di modulazione – modulazione di fase
Q 10 00 Binary Phase Shift Keying I Q 1 11 01 Binary Phase Shift Keying (BPSK) modulation is a two-level modulation scheme, where each symbol represents a single bit (M is the number of possible symbols that can be represented during a cycle period). Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) modulation is a 4-level modulation scheme, each symbol represents a couple of bits. The changes between subsequent symbols, may imply a significant modification of the amplitude during the shift time (the higher is the phase shift, the lower the amplitude during the shift time) as well as of the bandwidth spreading. This requires linear amplifiers on the receiving side. In order to limit this requirements, it may be useful to avoid direct transactions between states that are in phase opposition (see dotted cases in figure for QPSK). In this case, we have an offset QPSK, which avoids the emitted power to go to zero while passing between symbols phase-opposite (π rad.). Il comportamento della portante può essere rappresentato da un vettore rotante nel piano I/Q (In phase/Quadrature). Il vettore ruota alla velocità di 1 ciclo per ogni periodo della forma d’onda. Esso esprime la funzione coseno sull’asse I e la funzione seno sull’asse Q. Il modulo del vettore rotante è legato alla potenza di emissione. Il caso del BPSK corrisponde alla scelta tra due portanti sfasate di π radianti tra di loro. Il caso QPSK corrisponde alla scelta tra quattro portanti sfasate di π/2 radianti. Quadrature Phase Shift Keying

36 WLAN – funzioni di mobilità interne
Procedure di mobilità (modo passivo) Il terminale misura i canali disponibili Riceve il canale diffusivo (synch, SSID, periodo di broadcast) Il livello 2 effettua uno scansionamento continuo 2 3 1 2 1 B Procedure di mobilità (modo attivo) Il terminale invia un probe request su ogni canale radio alla ricerca di di un AP con lo stesso Service Set Identity L’AP risponde con un probe response (synch, SSID) Vengono avviate le procedure di autenticazione e di affiliazione con il nuovo AP

37 Come evitare le collisioni - Carrier Sense Multiple Access - Collision Avoidance (Distributed Control Function) Data DIFS DIFS (DCF Interframe Space) stazione 1 stazione 2 stazione 3 stazione 4 stazione 5 Collisione Il protocollo MAC IEEE fornisce due tipi di servizi: servizi di tipo asincrono e servizi di tipo contention free. I primi sono realizzati dalla Distributed Coordination Function (DCF) che implementa, come tecnica di accesso al canale, il protocollo Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA), mentre i secondi sono forniti dalla Point Coordination Function (PCF) che implementa una tecnica d'accesso basata su polling. Secondo la DCF, prima di iniziare la trasmissione di un pacchetto, una stazione deve ascoltare il canale e, se questo è sentito libero per un tempo superiore ad un DIFS, può trasmettere. In caso contrario la trasmissione è rimandata e la stazione avvia un processo di back-off durante il quale il relativo timer1 viene decrementato solo quando il mezzo è libero, sempre dopo aver aspettato un DIFS, e congelato quando il mezzo è occupato. Quando il timer si azzera la stazione è autorizzata a trasmettere. Se due o più stazioni trasmettono contemporaneamente, avvengono delle collisioni. 1) Il valore del timer è scelto casualmente tra zero ed un valore massimo chiamato Contention Window (CW). arrivo pacchetto tempo trascorso Data pacchetto trasmesso tempo rimanente

38 WLAN - punti di forza e di debolezza
+ Installazione posa cavi (LAN) identificazione siti + Economia e logistica costo intrinseco della tecnologia ambiente flessibilità negli sbilanciamenti di traffico + Scalabilità estendibilità radio riconfigurazione della rete (topologia, terminazioni) elevate capacità + Nomadicità il modello Internet (mobilità discreta) integrazione con rete cellulare - Incompletezza funzionale autenticazione, sicurezza integrazione in rete mobilità tra aree - Interferenza errori non predicibilità delle situazioni operative - Consumi ritrasmissione circuitistica

39 Bluetooth – una tecnologia per pico reti
Inizialmente pensato come rete di connessione tra dispositivi elettronici di vasto consumo (requisiti stringenti di dimensioni e potenza) Banda ISM, sovrapposta con quella assegnata a W-LAN, forni a microonde, alcuni cordless domestici 2.4Ghz, frequency hopping – spread spectrum, raggio massimo intorno ai 10m, fino a 500 Kbit/s, funzioni di master/slave 79 sottoportanti (ognuna di 1 MHz di ampiezza); sequenza di hopping come codice pseudo-casuale assegnato ad ogni singola connessione Time Division Duplex per garantire la bidirezionalità; slot di ms; salto di frequenza ad ogni slot (1600 salti/s) Modulazione Gaussian Frequency Shift Keying Copertura intorno ai 10m o ai 100m (1mW o 100mW) Connessioni sincrone ed asincrone

40 Frequency Hopping / canale time division multiplexing
Trasmissione e ricezione su canali differenti Massima cadenza di salto in frequenza: 1600 salti/s f(k) f(k+1) f(k+2) master t slave t uno slot: 625 ms una trama: 1250 ms

41 Gestione della pico rete
collegamenti orientati alla connessione algoritmi di risparmio energetico organizzazione in piconet distinzione (momentanea) tra ruoli master e slave la piconet è definita da una specifica sequenza di salti di frequenza piconet differenti usano diverse sequenze (non necessariamente ortogonali) sono possibili sovrapposizioni di frequenza slot dispari e pari per M=>S e S=>M rispettivamente trasmissione bidirezionale secondo meccanismi di polling max 7 membri attivi nella piconet tutti i membri (attivi e parked) rimangono sincroni e agganciati alla master attraverso il suo codice di accesso master active slave parked slave standby

42 Bluetooth – formato del pacchetto
access code header payload 72 bit bit bit contiene il codice d’accesso (identifica la picocella) contiene l’indirizzo del membro attivo destinatario lo slave (indirizzato dal master) trasmette nello slot successivo all’autorizzazione gli altri membri attivi leggono i due soli campi iniziali (risparmio energetico) i membri parked leggono solo un canale di broadcast cadenzato su tempi lunghi (mantenimento sincronismo e paging) due tipi di connessione sincrona, orientata alla connessione per la voce (2 slot consecutivi a cadenza costante, assegnati su base segnalazione) asincrona, per pacchetti dati (1, 3 o 5 slot) The channel access codes are used to indicate to the receiver, the arrival of a packet,also used for timing synchronization. There are three types of access codes, channel access codes(CAC), Device Access code and General Access code and inquiry access codes.

43 Bluetooth - trasmissione multi-slot
f(k) 625 s f(k+1) f(k+2) f(k+3) f(k+4) f(k+5)

44 Piconet multiple – come recuperare la connettività estesa
slave master master/slave

45 Home RF Working Group – accesso home RF
Intel, Compaq, Motorola, Siemens i promotori nel 1998 interconnessione tra apparati a livello domestico banda ISM, sovrapposta con quella assegnata a W-LAN, forni a microonde, alcuni cordless domestici 2.4Ghz, frequency hopping – spread spectrum protocollo di accesso al canale: TDMA-TDD per la voce (a 32Kbit/s) CSMA per i dati (come nell’802.11) connessioni sincrone ed asincrone struttura di trama variabile reti ad-hoc e infrastructure velocità trasmissiva 1-2 Mbit/s (con affasciamento canali fino a 10Mbit/s)

46 Home RF: i protocolli Specifiche HomeRF CSMA/CA
Protocolli dati (es. TCP/IP) DECT Specifiche HomeRF Servizi dati TDMA PHY Servizi voce con priorità Servizi video/voce su IP L’ HomeRF Working Group è un gruppo di lavoro nato nel marzo 1998 formato da diverse aziende del mondo dell’ Information & Communication Technology con l’ obiettivo di definire uno standard di intercomunicabilità tra dispositivi di tipo consumer per il networking domestico. Tale standard operante nella banda ISM a 2,4 GHz è basato sul protocollo di accesso al canale chiamato SWAP (Shared Wireless Access Protocol). HomeRF opera a 2,4 GHz (banda ISM) e utilizza la tecnica di spreding Frequency Hopping Spread Spectrum con 50 hops/s. La modulazione può essere di tipo 2-FSK o 4-FSK con un data rate in aria rispettivamente di 1 Mbit/s e 2 Mbit/s. La versione 2.0 dello standard, approvata a metà 2001 dal Gruppo di Lavoro, consente di affasciare più canali con un velocità trasmissiva massima di 10 Mbit/s. Il protocollo SWAP, definito dal gruppo per la gestione dell’ accesso multiplo al canale, tratta in modo diverso i servizi isocroni (voce) da quelli asincroni (dati). Per il servizio voce, il protocollo è stato derivato dal DECT e quindi utilizza la tecnica di accesso a divisione di tempo TDMA con duplex TDD. La tecnica di codifica della voce impiegata è l’ ADPCM a 32kbit/s. Per i servizi dati, invece, le specifiche adottate derivano da quelle IEEE opportunamente semplificata per consentire dispositivi a basso costo: è stata infatti mantenuta la tecnica di accesso CSMA/CA ed è stata eliminata la gestione dei servizi sincroni. I sistemi HomeRF supportano sia reti ad-hoc sia reti sia reti infrastructure. Nella prima, poiché la gestione dell’ accesso al canale é distribuito tra tutti i terminali, possono essere supportati solo i servizi dati. Nella seconda, invece, poiché il controllo del mezzo é gestito da un Connection Point, è possibile gestire entrambi i tipi di servizio. Una rete può essere composta al massimo da 127 nodi (voce e dati) e può sopportare fino a 6 comunicazioni vocali full-duplex contemporaneamente.

47 Trama Home RF (a) (b) (c) (d) 20 ms Dati Ack Dati Ack 10 ms 10 ms B
DL #1 UL #1 B Dati Ack DL #1 UL #1 (b) 10 ms 10 ms B Dati Ack DL #1 UL #1 DL #2 UL #2 B Dati Ack DL #1 UL #1 DL #2 UL #2 (c) In presenza di solo traffico dati, la durata della trama è di 20 ms, ha inizio con il salto di frequenza e il protocollo impiegato per l’accesso al canale è, come detto, il CSMA/CA (Contention Period, CP) (a). In presenza di traffico voce la trama si riduce a 10 ms e include, oltre al CP, un Contention-Free Period la cui presenza viene notificata a tutti i terminali da un pacchetto di Beacon inviato in broadcast subito dopo il salto di frequenza da un Connection Point, cioè dal terminale che gestisce l’accesso multiplo al canale per le comunicazioni vocali. Il CFP è costituito da un massimo di 8 time slot per direzione trasmissiva (TDMA/TDD) per le comunicazioni vocali. In particolare il primo slot per ciascuna direzione trasmissiva è dedicato alla comunicazione in DL (DownLink) mentre il secondo è dedicato all’UL (UpLink) (b). Il numero di time slot varia in base al numero di comunicazioni attive (c). Quando tutte le comunicazioni vocali terminano, la trama ritorna a una durata di 20 ms (d). 20 ms Dati Ack Dati Ack Dati Ack (d) Salto di frequenza B Beacon Pacchetto Dati/Ack Comunicazioni vocali

48 Tecnologie Wireless e opportunità applicative
Sommario Piccola e Media Industria e Wireless - uno schema di relazione e qualche esempio Cosa può offrire una rete locale senza fili - l’impronta della tecnologia Le tecniche, i limiti, l’integrazione Alcuni spunti

49 UMTS - l’arricchimento della comunicazione verbale
Persona-Contenuto P-P Voce integrazione di componenti (testo, video) simultaneità mobilità, dipendenza dallo spazio: dal comunicare in movimento al comunicare del luogo messaggio: indipendenza dal tempo come criticità mobilità: indipendenza dallo spazio ricchezza del contenuto affidata alla capacità di comunicazione vocale messaggio: indipendenza dal tempo

50 La distribuzione dei contenuti
recupero della comunicazione p-to-p (differenziale di esperienze) recupero della relazione col contesto (mobilità come segmentazione) classificazione del contenuto secondo: Peculiarità, Esclusività, Volatilità, Località )))) ritorno Contenuto-Persona (diffusione TV) TV esperienza uniforme del mondo mancanza (o limitazioni) di interattività mobile: canale di ritorno rigidità di palinsesto globalità di diffusione comunicazione persona-persona

51 Messaggi, scambio di contenuti e ambienti virtuali
GW condividere le sensazioni in una stanza virtuale comunicazione cieca o virtuale interazioni a carattere comunitario l’attitudine sociale determina il fenomeno complessivo Client instant messaging Gli snodi innovativi creazione del contesto virtuale (anche aperta all’utente) definizione di modalità efficaci di scambio back-up in rete dei contenuti regolare il processo comunitario HW platform Java VM Operating System API Mobile terminal Middleware application SIM SIM applicationt distributed application

52 L’uso delle interfacce aperte
Location Service Center application (X; Y) stima dell’accuratezza API Framework Location Service Engine Identificativo di cella Potenza misurata timing advance Operator network resources

53 W-LAN e l’integrazione con la rete cellulare
Roaming Broker (e.g. i-Pass) Service Provider C rete mobile AAA Roaming tramite Broker Service Provider D Service Provider B rete fissa AAA Accordi bilaterali di roaming Service Provider A AAA Proxy SIM-based Visitatore cliente mobile WLAN Provider utente dell’Impresa

54 WLAN e UMTS – una coesistenza possibile
Il mercato dei servizi wireless a larga banda è completamente da sviluppare La tecnologia WLAN appare particolarmente competitiva per i servizi di accesso a Internet ad alta velocità e per applicazioni audio/video di entertainment (non real time), per le quali il 3G potrebbe non essere competitivo (prezzi e bit rate) Information Access/browsing Transactions ~5 10- Possible 3G use – but locally WLAN more effective 15 10- 50- Per applicazioni bandwidth intensive real time (es. video comunicazione) occorre risolvere problemi tecnologici importanti (es. QoS) e predisporre in rete le funzionalità di controllo necessarie 15 55% 15- 20 Possible 3G application (short clips) – but bandwidth required could be expensive Messaging fonte: McKinsey Entertainment

55 Modelli di business per ISP/operatori
A) Offerta di servizi al cliente finale B) Offerta di servizi a Content Provider, Aziende, etc. Hotspot WLAN Piattaforma di localizzazione Interfaccia Aperta $ ISP Content Provider, Azienda, etc. Piattaforma di localizzazione Servizi Location-Based Hotspot WLAN Cliente $ ISP Cliente

56 Terminali con funzioni
Reti ad-hoc – una potenziale discontinuità nel modello di comunicazione Sviluppo di soluzioni (reti ad-hoc) per realizzare configurazioni wireless capaci di autoconfigurarsi e di funzionare senza bisogno di un’infrastruttura di rete fissa controllare in modo distribuito l’instradamento del traffico Rete IP ad-hoc Gateway Rete IP Fissa Traffico Dati Terminali con funzioni di packet relay Traffico Dati host Rete IP Wired o Wireless

57 PMI - Trarre vantaggio dall’integrazione dei diversi contesti di impiego (e dalle relative tecnologie) centro servizi Esempio: GSM; W-LAN; RF TAG trasporto RF ID TAG lettore di TAG GSM access point W-LAN

58 PMI e tecnologie wireless a corto raggio – non solo comunicazione in senso stretto
User Agent ua2 Agent a0 User Agent ua1 represent services register available services query respond connect cooperate, negotiate, delegate, …. Comunicazioni basate su Agenti: il modello peer-to-peer Autonomia; controllo lasco da parte dell’utente Capacità di risolvere problemi in ambienti complessi eterogenei dinamici con informazioni limitata/ridondante Distribuzione di controllo, risorse e dati Intrinsecamente peer-to-peer Services provided by a0 directory service

59 L’evoluzione del modello di servizio: peer-to-peer
Intelligenza, info e controllo distribuito. Applicazioni multi-party. Comunicazione M2M Intelligenza scaricabile sul client. Info centralizzate Intelligenza e info centralizzate Client – server Client – server con midlet peer 2 peer Applicazioni reattive con iniziativa utente diretta ed esclusiva Applicazioni reattive / Iniziativa utente o via push del server Applicazioni pro-attive con iniziativa agente sul terminale

60 Esempio - tecnica degli agenti per coordinamento di mezzi autonomi semoventi e funzioni produttive
assemblaggio/produzione mezzo semovente percorso scaffale verifica

61 PMI e W-LAN – operare tra l’estensione del mercato e le differenziazioni locali
dimensione globale della produzione dimensione locale della produzione basata su standard di conoscenza universali basata (anche) su conoscenza di contesto codifica, virtualizzazione conoscenza non standardizzata e implicita W-LAN come elemento abilitatore: comunicazione innovazione locale del processo produttivo valorizzazione attraverso: integrazione locale delle conoscenze creazione di processi esclusivi differenziazione delle soluzioni produttive apertura rispetto al processo globale