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Dott.ssa Chiara Petrioli a.a 2007/2008 Università di Roma La Sapienza Corso di Laurea Specialistica in Informatica Reti Avanzate Sistemi wireless (lezione.

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1 Dott.ssa Chiara Petrioli a.a 2007/2008 Università di Roma La Sapienza Corso di Laurea Specialistica in Informatica Reti Avanzate Sistemi wireless (lezione introduttiva congiunta) Si ringraziano per questo materiale Il Prof. Antonio Capone, Politecnico di Milano e il Prof. Giuseppe Bianchi, Universita di Tor Vergata

2 1 - Introduzione al corso Reti Avanzate Università di Roma La Sapienza Corso di Laurea Specialistica in Informatica

3 3 Il docente n Dott.ssa Chiara Petrioli n Ufficio: n Dip. di Informatica n Via Salaria 113 n 3° piano n stanza 311 n Tel: n n Web page: petrioli.html n Web page del corso: laurea specialistica, reti avanzate(sara aggiornata a mano a mano)http://twiki.di.uniroma1.it n Orario di ricevimento: n Mercoledì

4 4 Scopo del corsoReti Avanzate n Fornirvi conoscenze sulla tecnologia ed i protocolli utilizzati nelle 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; Insegnarvi le metodologie con cui si sviluppano e ottimizzano i sistemi radio 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; Insegnarvi le metodologie con cui si sviluppano e ottimizzano i sistemi radio Prerequisiti: calcolo delle probabilità o sistemi multicomponenti + Architettura di Internet o Reti 1

5 5 Scenario di riferimento ad oggi WIMAX Ambient intelligence

6 6 Scenario di riferimento ad oggi-RA WIMAX Ambient intelligence -Introduzione alle reti radiomobili -sistemi cellulari di seconda e terza generazione -Come pianificare un sistema cellulare

7 7 Scenario di riferimento ad oggi-Reti Avanzate WIMAX Ambient intelligence Estensione delle reti cellulari: Reti Ad Hoc - TCP over wireless -Sicurezza delle reti radio: problematiche e soluzioni

8 8 Scenario di riferimento ad oggi-Sistemi wireless WIMAX Ambient intelligence -Tecnologie emergenti: WiFi e Mesh networks, Reti di sensori, ZigBee, personal area networks, WIMAX -Tecniche di ottimizzazione e valutazione delle prestazioni di una rete -Sviluppo di protocolli di rete su dispositivi embedded (ambient intelligence)

9 9 Scenari emergenti– sistemi embedded n Esempi di segmenti di mercato n Personal Health n Pervasive and ubiquitous computing n Protezione delle infrastrutture critiche n Automazione industriale & logistica n Trasporti (automotive, avionics,…) n Monitoraggio ambientale e gestione dei rischi ambientali n Competenze per inserirsi a pieno in questo settore emergente: informatiche (reti)+ elettronica+ teoria dei controlli+ middleware

10 10 Scenari emergenti– sistemi embedded n Esempi di segmenti di mercato n Personal Health n Pervasive and ubiquitous computing n Protezione delle infrastrutture critiche n Automazione industriale & logistica n Trasporti (automotive, avionics,…) n Monitoraggio ambientale e gestione dei rischi ambientali n Competenze per inserirsi a pieno in questo settore emergente: informatiche (reti)+ elettronica+ teoria dei controlli+ middleware Esempi di ditte molto attive: Philips, IBM, Varie Telecom, Nokia, Siemens, Ericsson, Finmeccanica, EADS, Thales, Ditte automobilistiche, INGV, protezione civile, …

11 11 Scenari emergenti– sistemi embedded n Esempi di segmenti di mercato n Personal Health n Pervasive and ubiquitous computing n Protezione delle infrastrutture critiche n Automazione industriale & logistica n Trasporti (automotive, avionics,…) n Monitoraggio ambientale e gestione dei rischi ambientali n Competenze per inserirsi a pieno in questo settore emergente: informatiche (reti)+ elettronica+ teoria dei controlli+ middleware Esempi di ditte molto attive: Philips, IBM, Varie Telecom, Nokia, Siemens, Ericsson, Finmeccanica, EADS, Thales, Ditte automobilistiche, INGV, protezione civile, … Buona notizia: tutte queste ditte vedono la differenza tra un laureato triennale e specialistico Buona notizia 2: concrete possibilità di specializzarvi in questo settore

12 12 Laboratorio interdipartimentale

13 13 Attività in corso Sensor Networks Low power design Clustering schemes Cross layer optimized protocols stacks (design and implementation) ALBA-R IRIS Exploiting mobility in sensor networks Sensor networks test-beds Implementation of IRIS ALBA-R Tools for remote control and management of WSN Test-beds HW prototyping targeted to Specific applications Real-life applications Structural monitoring Historical building monitoring Environmental monitoring Precision agriculture Underwater sensor networks Cross layer optimization of acoustic USNs Design of a framework for evaluating solutions (with MIT) Securing sensor networks key management schemes secure routing, secure data aggregation

14 14 Attività in corso Sensor Networks Low power design Clustering schemes Cross layer optimized protocols stacks (design and implementation) ALBA-R IRIS Exploiting mobility in sensor networks Sensor networks test-beds Implementation of IRIS ALBA-R Tools for remote control and management of WSN Test-beds HW prototyping targeted to Specific applications Real-life applications Structural monitoring Historical building monitoring Environmental monitoring Precision agriculture Underwater sensor networks Cross layer optimization of acoustic USNs Design of a framework for evaluating solutions (with MIT) Securing sensor networks key management schemes secure routing, secure data aggregation Heterogeneous wireless networks (applied to assisted living) -Middleware to optimize performance and handle heterogeneity in WSNs -Implementation and test of protocols designed for heterogeneous environments -Multiradio heterogeneous devices

15 15 Embedded Systemstesting infrastructure

16 16 Embedded Systemstesting infrastructure Possibilità di attività complementari allinterno del laboratorio Borse di studio per attività allinterno del laboratorio e/o per contribuire alla realizzazione del test-bed (prox mesi)

17 Introduzione alle Reti Radiomobili Reti Avanzate Università di Roma La Sapienza Corso di Laurea Specialistica in Informatica n Scenario di riferimento n Diversi modelli di reti radio mobili e breve storia delle reti radiomobili n Caratteristiche delle reti radiomobili n Errori nella trasmissione n Risorse (banda/energia) limitate n Medium Access Control n Gestione della mobilità

18 18 Reti Wireless n Lunica differenza sembra consistere nel mezzo trasmissivo radio, eppure: n Le particolari caratteristiche del mezzo hanno un grosso impatto sulle caratteristiche del sistema n le reti wireless consentono agli utenti di muoversi e gestiscono automaticamante la loro mobilità Meglio wireless o wired? wired wire- less

19 19Caratteristiche n Il mezzo radio è un mezzo intrinsecamente broadcast (la trasmissione di un terminale è ascoltabile da tutti gli altri) n Il mezzo radio è un mezzo condiviso n necessità di protocolli di Medium Access Control (MAC) n Risorse limitate n Probabilità di errore nella trasmissione elevata n Mobilità dei nodi rende più difficile la progettazione di protocolli n Dispositivi portatili fanno affidamento su sorgenti di energia esterne (batterie) per comunicare necessità di protocolli a basso consumo energetico

20 20 Penetrazione dellaccesso wireless e dellaccesso a Internet n Telefoni cellulari: circa 2 miliardi n Connessione a Internet: circa 1 miliardo di persone Wireless Internet n No. America70%70% n Europe75%40% n Asia18% 9% n WORLDWIDE30%15% Riferimenti: a) GSM Association b) CDMA Development Group c) Internetworldstats.com Da: Keynote speech Dr. Andrew Viterbi, ACM MobiCom 2006

21 21 Argomenti trattati in RA WIMAX Ambient intelligence

22 22 Modelli di Reti Wireless n 1) Reti con punto di accesso fisso (cellulari) Rete fissa n Solo collegamenti terminale mobile – punto di accesso fisso

23 23 Architettura di una rete radio (rete cellulare) rete daccesso rete di trasporto wired wireless

24 24 Reti Wireless n 2) Reti wireless ad-hoc (Wireless LAN) n Anche collegamenti mobile- mobile n nella modalità multi-hop i mobile hanno funzionalità di inoltro dei pacchetti

25 25 Motivazioni dei sistemi cellulari/delle reti radio n Lo scopo primario di un sistema radiomobile è di rendere possibile una connessione anytime, anywhere (collegamento tra utenti mobili, tra utenti mobili e rete fissa ….) n Il mercato ha avuto un forte sviluppo negli anni 80 e la domanda è ancora in rapida ascesa. Rete fissa

26 26 Organizzazione della prima parte del corso n Partiamo dai sistemi cellulari n Capendo come le caratteristiche dei sistemi radiomobili richiedano di disegnare protocolli che tengano conto dellalta probabilita derrore, del fatto che il mezzo sia condiviso etc. n Vedremo poi come limpatto delle caratteristiche delle reti radio impongano ulteriori vincoli e richiedano soluzioni diverse quando si vuole sviluppare un sistema per reti ad hoc

27 27 Requisiti di sistemi radiomobili cellulari 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

28 28 Problemi e limitazioni n Scarse risorse radio (banda limitata) n Probabilità di errori nella trasmissione elevati n Gestione della mobilità degli utenti n Estrema variabilità del traffico n Consumo energetico deve essere limitato n …..

29 29 Rete telefonica – Rete cellulare n Cosa cè di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia (mobile)? n Rete daccesso n canale wireless n mezzo trasmissivo condiviso e non dedicato Centale telefonica Doppino telefonico Canale Radio Mezzo radio ha banda limitata ed è condiviso tra più utenti

30 30 Rete telefonica – Rete cellulare n Cosa cè di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia (mobile)? n Codifica della voce n per risparmiare risorse radio si abbandona il vecchio PCM a 64 Kbit/s e si passa a codificatori a bassa velocità sorgente Codifica di sorgente 13 kb/s (GSM) Mezzo radio ha banda limitata ed è condiviso tra più utenti

31 31 Copertura Cellulare n 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 Base Station Mobile Station Cella Cella=Area di copertura di una BS IDEA= RIUSO delle frequenze Mezzo radio ha banda limitata ed è condiviso tra più utenti

32 32 Rete telefonica – Rete cellulare n Cosa cè di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia (mobile)? n Scarsita delle risorse (mezzo condiviso) n Riuso delle risorse (esempio: concetto di riuso delle frequenze) n Ammissione delle chiamate solo se sufficienti risorse Le stesse frequenze possono essere riutilizzate se le trasmissioni non interferiscono

33 33 Abbiamo quindi risposto alle necessità relative a 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 Scarse risorse radio (banda limitata)

34 34 Rete Cellulare n La rete cellulare è costituita anche da una parte fissa che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità degli utenti Base Station Mobile Station PLMN Public Land Mobile Network Accesso Radio uEsempio: set up chiamata, gestione mobilità

35 35 Rete Cellulare n La rete cellulare è costituita anche da una parte fissa che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità degli utenti Base Station Mobile Station PLMN Public Land Mobile Network Accesso Radio uEsempio: set up chiamata, gestione mobilità Un messaggio inviato può essere ascoltato da tutti i dispositivi nel raggio trasmissivo del sender Problematiche di sicurezza: -autenticazione (lutente che accede al servizio ha il diritto di farlo?) -cifratura (per proteggere la confidenzialità dei dati trasmessi)

36 36 Rete Cellulare n La rete cellulare è costituita anche da una parte fissa che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità degli utenti Base Station Mobile Station PLMN Public Land Mobile Network Accesso Radio uEsempio: set up chiamata, gestione mobilità Come si allocano le risorse per una chiamata? Come si decide quale chiamata deve essere accettata e quale rifiutata nel caso di risorse radio limitate?

37 37 Rete Cellulare n La rete cellulare è costituita anche da una parte fissa che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità degli utenti Base Station Mobile Station PLMN Public Land Mobile Network Accesso Radio uEsempio: set up chiamata, gestione mobilità Come faccio a sapere dove si trova un utente (e quindi come istradare una chiamata verso di lui?) Come faccio a mantenere attiva una chiamata nel caso in cui il movimento di un utente in Conversazione gli faccia cambiare cella?

38 38 Rete telefonica – Rete cellulare n Cosa cè di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia (mobile)? n Errori frequenti nella trasmissione n Attenuazione, riflessione, rifrazione,diffrazione del segnale n multipath fading Canale Radio u vedremo piu avanti u pacchetto trasmesso u pacchetto ricevuto u Interferenze

39 39 Rete telefonica – Rete cellulare n Cosa cè di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia (mobile)? n Dispositivi portatili hanno bisogno di far affidamento su risorse di energia esterne (ad esempio batterie) per il loro funzionamento n Necessario minimizzare il consumo energetico (soprattutto dellinterfaccia radio necessario per tx/rx pacchetti) Help! No energy!!

40 40 Reti Wireless n 2) Reti wireless ad-hoc (Wireless LAN) n Anche collegamenti mobile- mobile n nella modalità multi-hop i terminali mobili hanno funzionalità di inoltro dei pacchetti

41 41 Problematiche nelle reti ad hoc Il mezzo radio è condiviso necessità di protocolli di medium access control

42 42 Problematiche nelle reti ad hoc-MAC Hidden terminal Se A e B trasmettono un pacchetto si verifica una collisione in D di cui né A né B possono accorgersi direttamente A B D

43 43 Problematiche nelle reti ad hoc Mezzo radio ha una banda limitata, probabilità di errori nella trasmissione sul mezzo fisico elevata (stesse problematiche che nel caso cellulare, magari con sol. diverse) A B

44 44 Problematiche nelle reti ad hoc Problematica unica di queste reti:Come si istradano i pacchetti da A a B (routing?) A B

45 45 Problematiche nelle reti ad hoc Problematica unica di queste reti:Come si istradano i pacchetti da A a B (routing?) A B Come gestiamo il route maintenance nel caso Di mobilità (anche elevata dei nodi ?)

46 46 Problematiche nelle reti ad hoc Scelte che possono minimizzare il consumo energetico a tutti i livelli Dello stack protocollare:controllo di potenza, MAC, data link, routing Help! No energy!! Come istradare i pacchetti minimizzando il consumo energetico, tenendo conto delle diverse energie residue dei nodi

47 47 Problematiche nelle reti ad hoc Non sorprende che il comitato di standardizzazione delle reti ad hoc. Il gruppo MANET dellIETF si occupi essenzialemente di routing!

48 48 Rete telefonica – Rete cellulare n Cosa cè di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia (mobile)? n Analizziamo adesso brevemente ciascuno di questi aspetti n Quelli più legati alle problematiche di rete saranno poi ripresi in seguito n Analizziamo adesso brevemente ciascuno di questi aspetti n Quelli più legati alle problematiche di rete saranno poi ripresi in seguito n canale wireless n mezzo condiviso n gestione della mobilità n codifica della voce n consumo energetico

49 49 Canale Wireless risponderemo alla seguente domanda: -quali sono le ragioni per la presenza di errori nella trasmissione ?

50 50 Canale wireless n Rispetto ai mezzi cablati il canale radio è un mezzo di trasmissione molto più inaffidabile n I segnali che si propagano in aria sono soggetti a fenomeni di: n Attenuazione funzione della distanza tra trasmettitore e ricevitore n Attenuzione dovuta ad ostacoli n Propagazione per cammini multipli (multipath)

51 51 The radio spectrum

52 52 The radio spectrum

53 53 Problemi nella propagazione del segnale n Line of sight n Reflection n Shadowing

54 54 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) BS MS BS Problemi nella propagazione del segnale

55 55 Attenuation phenomena for millimeter waves (EHF)

56 56 Spectrum allocation

57 57 Attenuazione del segnale Signal power Distance BS MS

58 58 Slow fading – fast fading Signal power Distance BS MS (km) Distance BS MS (m) u slow fading Long term fading u Fast fading Short term fading

59 59 Attenuazione del segnale Signal power Distance BS MS Vediamo di comprendere quale la legge che consente di esprimere l attenuazione del segnale in funzione della distanza

60 60 Canale wireless: attenuazione da distanza n Una sorgente puntiforme isotropica (isotropic radiator) che trasmetta un segnale di potenza P T lo irradia in modo uniforme in tutte le direzioni n La densità di potenza sulla superficie di una sfera centrata nella sorgente puntiforme e con raggio d è data da: distanza d sorgente area

61 61 Esempi di antenne n Graphical representation of radiation properties of an antenna n Depicted as two-dimensional cross section side view (xy-plane) x y side view (yz-plane) z y top view (xz-plane) x z simple dipole side view (xy-plane) x y side view (yz-plane) z y top view (xz-plane) x z directed antenna

62 62 Antenna Gain n Isotropic antenna (idealized) n Radiates power equally in all directions (3D) n Real antennas always have directive effects (vertically and/or horizontally) n Antenna gain n 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 n Better received signal strength n Less interference to other receivers n More complex antennas

63 63 Canale wireless : attenuazione da distanza n Indicando con g T il guadagno massimo abbiamo che la densità di potenza in tale direzione risulta: n Il prodotto P T g T è chiamato EIRP (Effective Isotropically Radiated Power) e rappresenta la potenza necessaria con una sorgente isotropica per raggiungere la stessa densità di potenza di una antenna direttiva

64 64 Canale wireless : attenuazione da distanza n La potenza al ricevitore può essere espressa come: dove P T rappresenta la potenza irradiata dal trasmettitore, g T e g R i guadagni delle antenne del trasmettitore e ricevitore, la lunghezza donda (c/f) e d la distanza tra trasmettitore e ricevitore. L>1 tiene conto degli HW losses. 1 L

65 65 Programma e materiale didattico Reti Avanzate n Programma del corso n Introduzione alle reti radio mobili Testo: P.M.Shankar Introduction to Wireless Systems, Wiley 2002, cap. 2 e 4 n Sistemi cellulari: GSM (cenni a GPRS/UMTS) Testo di consultazione: Bertazioli, Favalli GSM-GPRS seconda edizione, Hoepli informatica 2002, cap 5-11.

66 66 Programma e materiale didattico n Programma del corso n (standard, dispense, materiale fornito durante il corso) n Reti Ad Hoc n TCP over wireless e sicurezza delle reti radio Testo: articoli forniti dal docente e disponibili sul web/scaricabili dalle digital libraries a cui La Sapienza e abbonata

67 67 Programma e materiale didattico Sistemi wireless n Programma del corso n Valutazione delle prestazioni (Prof. Lo Presti) n Ambient Intelligence: Reti di sensori. n Reti di sensori terrestri e sottomarine n Personal Area Networks (Bluetooth, IEEE x, Wimedia) n WiMax (seminario Dott. Vitaletti) n WiFi e Mesh networks (Prof.ssa Tinnirello) n TCP in reti wireless (Prof. Lo Presti, Chiara Petrioli) n Implementazione in dispositivi embedded (in laboratorio, Dott. Mastrogiovanni, Dott. Nati) Testo: articoli forniti dal docente, lucidi del docente

68 68 Materiale didattico n Capitoli dei libri consigliati n Lucidi del corso (per alcune lezioni) /appunti del corso n Articoli di approfondimento indicati durante il corso (alcuni argomenti trattati solo sugli articoli)fortemente consigliato seguire n Informazioni aggiornate saranno disponibili sul sito web. Consultatelo frequentemente n Mailing list del corso fatemi avere i vostri indirizzi

69 69 Modalità desame n Modalità desame standard (RA) n Scritto (con domande di sbarramento) n Due esoneri (sulle varie parti del programma) n Orale n Modalità desame Sistemi wireless: Progetto + tesina

70 70 FINE PRIMA LEZIONE

71 71 Power units - decibel n Decibel (dB): modo di rappresentare in maniera logaritmica i rapporti tra le potenza Logaritmo in base 10 P A = 1 Watt P B = 1 milliWatt 30 dB PA = tre ordini di grandezza piu grande di P B u ad esempio il guadagno dellantenna e espresso in dB

72 72 Decibels - dBm n dBm = rapportato ad una potenza di 1mW n Potenza in dBm = 10 log(potenza/1mW) n Potenza in dBW = 10 log(potenza/1W) Esempio n 10 mW = 10 log 10 (0.01/0.001) = 10 dBm 10 W = 10 log 10 ( /0.001) = -20 dBm n S/N ratio = -3dB S = circa 1/2 N n Properties & conversions n dBm = 10 log 10 (P (W) / 1 mW) = P (dBW) + 30 dBm n (P1 * P2) (dBm) = P1 (dBm) + P2 (dBW) P1 * P2 (dBm) = 10 log 10 (P1*P2 (W)/0.001) = 10log 10 (P1/0.001) + 10 log 10 P2 = P1 (dBm) + P2 (dBW)

73 73 Example

74 74 Computation with dB Se la potenza ricevuta è inferiore ad una certa soglia il segnale non può essere correttamente ricevuto

75 75 n rappresenta lattenuazione da spazio libero. n Tale attenuazione non è lunica che subisce il segnale ma anche altre attenuazioni possono essere presenti a causa dellatmosfera (dipendente dalla frequenza e da nebbia, pioggia, ecc.) e di ostacoli (assorbimento, riflessione, diffrazione, ecc.) Canale wireless : attenuazione da distanza n La

76 76 n rappresenta lattenuazione da spazio libero. n Tale attenuazione non è lunica che subisce il segnale ma anche altre attenuazioni possono essere presenti a causa dellatmosfera (dipendente dalla frequenza e da nebbia, pioggia, ecc.) e di ostacoli (assorbimento, riflessione, diffrazione, ecc.) Canale wireless : attenuazione da distanza n La

77 77 n rappresenta lattenuazione da spazio libero. n Tale attenuazione non è lunica che subisce il segnale ma anche altre attenuazioni possono essere presenti a causa dellatmosfera (dipendente dalla frequenza e da nebbia, pioggia, ecc.) e di ostacoli (assorbimento, riflessione, diffrazione, ecc.) Canale wireless : attenuazione da distanza n La

78 78 Path loss (propagation loss) in dB Indicata anche con L free nel seguito

79 79 Path loss (propagation loss) in dB (formula generale) Indicata anche con L free nel seguito Dipende dalla distanza ma anche dalla frequenza

80 80 Free space loss (sintesi) Se L=1, guadagni antenne=1

81 81 Alcune elaborazioni sulla formula dellattenuazione n P R (d) = P R (d ref ) (d ref /d) 2 Se si conosce il valore ad una distanza di riferimento P R (d) dBm= P R (d ref )dBm +20 log 10 (d ref /d) L=1

82 82 Alcune elaborazioni sulla formula dellattenuazione n n Loss sperimentata da un segnale tx sulla frequenza f a distanza d nella condizione di un terreno piatto senza ostacoli P R (d) = P R (d ref ) (d ref /d) 2 Se si conosce il valore ad una distanza di riferimento P R (d) dBm= P R (d ref )dBm +20 log 10 (d ref /d) L free = -20 log 10 dB c/f 4 d ( ) L free = log 10 (f)+20log 10 (d) L=1

83 83 Canale wireless : attenuazione da distanza n La potenza al ricevitore nel caso di propagazione in spazio libero può essere espressa come: dove P T rappresenta la potenza irradiata dal trasmettitore, g T e g R i guadagni delle antenne del trasmettitore e ricevitore, la lunghezza donda (c/f) e d la distanza tra trasmettitore e ricevitore. L>1 tiene conto degli HW losses. 1 L

84 84 Canale wireless : attenuazione da distanza n 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: h2h2 h1h1 d

85 85 Canale wireless : attenuazione da distanza n Nellipotesi della propagazione per due raggi la potenza ricevuta decresce, a causa dellattenuazione dovuta alla distanza, molto più velocemente (~1/d 4 ) che nel caso di propagazione in spazio libero (~1/d 2 ) n In realtà la propagazione tipica dei sistemi wireless è spesso diversa e più complessa di questi due casi n Nonostante ciò di solito si utilizza una formula simile anche nel caso generale dove però lesponente di della distanza (coefficiente di propagazione ) può assumere valori compresi tra 2 (spazio libero) e 5 (forte attenuazione ambiente urbano):

86 86 Example scenarios: LOS path non necessarily existing (and unique) diffraction reflection Example: city with large buildings; No LINE OF SIGHT; Diffraction; reflection

87 87 Example scenarios LINE OF SIGHT + Diffraction, reflection, scattering LOS

88 88 Extended formula

89 89 Una parentesi. Path loss: Modelli empirici n Consider specific scenarios n Urban area (large-medium-small city), rural area n Models generated by combining most likely ray traces (LOS, reflected, diffracted, scattered) n Based on large amount of empirical measurements n Account for parameters n Frequency; antenna heights; distance n Account for correction factors n (diffraction due to mountains, lakes, road shapes, hills, etc) First model: Okumura, 1968 VERY complex due to many specific correction factors!

90 90 Okumura-Hata model n Hata (1980): very simple model to fit Okumura results n Provide formulas to evaluate path loss versus distance for various scenarios n Large cities; Small and medium cities; Rural areas n Limit: d>=1km Parameters: f = carrier frequency (MHz) d = distance BS MS (Km) h bs = (effective) heigh of base station antenna (m) h ms = height of mobile antenna (m) Effective BS Antenna height

91 91 Okumura-Hata: urban area a(h ms ) = correction factor to differentiate large from medium-small cities; depends on MS antenna height Very small correction difference between large and small cities (about 1 dB)

92 92 Okumura-Hata: urban area a(h ms ) = correction factor to differentiate large from medium-small cities; depends on MS antenna height Very small correction difference between large and small cities (about 1 dB) L free = log 10 (f)+20log 10 (d)

93 93 Okumura-Hata: suburban & rural areas n Start from path loss L p computed for small and medium cities

94 94 Okumura-Hata: examples F=900MHz, h bs =80m, h ms =3m

95 95 Slow fading – fast fading Signal power Distance BS MS (km) Distance BS MS (m) u slow fading u Fast fading

96 96 Canale wireless : fading multipath n Nella propagazione tra sorgente e destinazione il segnale può seguire più percorsi a causa della riflessione totale o parziale da parte di ostacoli n Il comportamento delle onde sugli oggetti dipende dalla frequenza del segnale e dalla caratteristiche e dimensioni degli oggetti n In generale, onde a bassa frequenza possono attraversare senza attenuazione molti oggetti, mentre allaumentare 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).

97 97 Canale wireless : fading multipath n Le repliche del segnale che giungono dai diversi cammini si ricombinano al ricevitore n Il risultato della ricombinazione dipende: n numero delle repliche n fasi relative n ampiezze n frequenza n la potenza del segnale differisce n from place to place n from time to time!

98 98 Canale wireless : fading multipath n Il segnala risultante può essere attenuato n O addirittura amplificato T=4/5 T= /6

99 99 Slow fading – fast fading Signal power Distance BS MS (km) Distance BS MS (m) u slow fading: lognormal distributed u Fast fading: Rayleight or Rician distributed Se ce una componente LOS

100 100 Rayleight fading

101 101 Rayleight fading

102 102 Rayleight fading

103 103 Considerazioni sul fading

104 104 Canale wireless : fading multipath n Il realtà la propagazione per cammini multipli può provocare altri più complessi problemi nel caso di trasmissione digitale n In questo caso, infatti, i diversi ritardi delle repliche del segnale trasmesso (delay spread) provocano un allargamento della risposta allimpulso del canale che può portare a interferenza intersimbolica (ISI – Inter-Symbol Interference)

105 105 Esempio (prossima slide…)

106 106 Esempio Possibilità di interferenza intersimbolica !!

107 107 Impulse response

108 108 Canale wireless : fading multipath n La rilevanza del delay spread può essere quantificata calcolando il suo valore quadratico medio (RMS Delay Spread): n con n RMS RMS delay spread n i ritardo del path i n P i potenza ricevuta path i n nnumero di path

109 109 Canale wireless : fading multipath n Linverso del delay spread fornisce la banda di coerenza n Se la banda di coerenza è molto maggiore della banda del segnale il delay spread non pone problemi n 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 n In questo caso per ovviare alla distorsione in frequenza del canale occorre equalizzare con un opportuno filtro adattativo in ricezione

110 110 FINE SECONDA LEZIONE

111 111 Consumo energetico

112 112 Protocolli a basso consumo energetico n I dispositivi portatili hanno bisogno di sorgenti esterne di energia (batterie, celle solari) per poter operare n Il tempo di vita delle batterie rimane limitato. n Aumentano le richieste di energia dei dispositivi portatili n Occorre quindi evitare il piu possibile sprechi di energia per massimizzare il tempo in cui i dispositivi possono essere operativi n Varie componenti del consumo energetico (display, interfaccia radio, CPU...). Tipicamente consumo dovuto allinterfaccia radio una delle componenti piu significative.

113 113 Consumo energetico dellinterfaccia radio n Il transceiver puo essere in uno di questi stati tx rx idle asleep Awake and transmitting Awake and receiving Awake, neither transmitting nor receiving Asleep: interfaccia radio non operativa (non si puo Ne trasmettere ne ricevere) Consumo dipende dallo stato e dal transceiver. Valori di riferimento, caso WLAN:E(Rx)<=E(Tx)=2E(Rx); E(idle) un po piu bassa E(rx); E(asleep) MOLTO piu bassa (e.g. 1/100)

114 114 Protocolli a basso consumo energetico per linterfaccia radio n Obiettivo: minimizzare il consumo energetico (cercando di tenere i nodi il piu possibile in stati a basso consumo energetico; tenendo anche conto dei costi per passare da uno stato allaltro) MANTENENDO buone prestazioni rispetto alle metriche classiche (troughput, ritardo,...) n Criteri generali: n Evitare di trasmettere/ricevere informazioni ridondanti/non necessarie o evitare di tx quando ce una probabilita elevata che il pacchetto vada perso n Attenzione alla ricezione: costa e non e predicibile quando dovro ricevere n alternanza stati di awake/alseep n minimizzazione del consumo energetico legato alla Trasmissione di informazione

115 115 Protocolli a basso consumo energetico per linterfaccia radio. Esempi: n Evitare di trasmettere/ricevere informazioni ridondanti/non necessarie o evitare di tx quando ce una probabilita elevata che il pacchetto vada perso n Esempi: – compressione dellheader – Minimizzazione del numero di messaggi di controllo inviati – Evitare di ricevere completamente pacchetti di cui non si e destinazione (ricordatevi che il mezzo fisico e broadcast!!) - bloccare le ritrasmissioni di pacchetti persi under heavy fading

116 116 Protocolli a basso consumo energetico per linterfaccia radio. Esempi: n minimizzazione del consumo energetico legato alla trasmissione di informazione n Esempi: – Power control (non trasmetto alla massima potenza del dispositivo ma con sufficiente potenza affinche il o i vicini mi ricevano) – Instradamento su piu hop corti puo convenire... Qualche informazione in piu sulle caratteristiche energetiche dellinterfaccia radio per motivare queste affermazioni...

117 117 Energy in Radio: the Deeper Story…. n Wireless communication subsystem consists of three components with substantially different characteristics n Their relative importance depends on the transmission range of the radio Tx: Sender Rx: Receiver Channel Incoming information Outgoing information Transmit electronics Receive electronics Power amplifier Da Mobicom 2002 tutorial M. Srivastava, D. Estrin

118 118 Examples n The RF energy increases with transmission range n The electronics energy for transmit and receive are typically comparable nJ/bit GSM Nokia C021 Wireless LAN Medusa Sensor Node (UCLA) ~ 1 km ~ 50 m ~ 10 m Da Mobicom 2002 tutorial M. Srivastava, D. Estrin

119 119 Protocolli a basso consumo energetico per linterfaccia radio. Esempi: n minimizzazione del consumo energetico legato alla trasmissione di informazione n Esempi: – Power control (non trasmetto alla massima potenza del dispositivo ma con sufficiente potenza affinche il o i vicini mi ricevano) – Instradamento su piu hop corti puo convenire... In quali casi convengono queste tecniche?? Conviene istradare su hop corti in reti che usano tecnologie con elevato raggio trasmissivo? E se le reti hanno un raggio tramsissivo molto corto?

120 120 Protocolli a basso consumo energetico per linterfaccia radio n Alternanza stati di awake e asleep n Esempio: n in ricezione: quando sara pronto a ricevere il dispositivo ? n conoscenza di questa informazione fondamentale perche coppie di dispositivi possano comunicare efficacemente n Trade-off: latency/energy. Asleep time lunghi – Basso consumo energetico – Attesa lunga prima di poter comunicare con il nodo

121 121 Protocolli a basso consumo energetico per linterfaccia radio n MAC:collisioni = sprechi energetici n Data link: FEC/ARQ ? n Routing: istradamento a basso consumo energetico n n Necessita di tener conto del consumo energetico in tutti gli strati protocollari

122 122 Accesso Radio Condiviso

123 123 Accesso radio condiviso n Per far comunicare stazione radio base e stazioni mobili i sistemi cellulari usano la banda radio assegnata dalle autorità responsabili n 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 n La divisione della risorsa radio porta alla creazione di canali radio fisici n Nel caso di servizio voce la tecnica di commutazione utilizzata è di tipo a circuito e quindi un canale fisico è assegnato ad ogni comunicazione stazione base – stazione mobile (canale di traffico dedicato) n Lo stesso avviene per il servizio dati a circuito n Nel caso di servizio dati a pacchetto i canali possono essere condivisi dinamicamente (canale di traffico condiviso) n Altri canali, come vedremo, servono per scopi di servizio (canali di controllo e segnalazione)

124 124 Accesso radio condiviso: Multiplazione n La multiplazione di livello fisico è la tecnica che consente di creare i canali fisici nel caso in cui la stazione trasmittente sia unica n consiste nel suddividere la capacità di un canale in sottocanali di velocità inferiore

125 125 Accesso radio condiviso: Multiplazione n La stazione trasmittente coinvolta è unica canale 2 canale 1 canale 3 Problema tipico della tratta downlink (forward link) di sistemi cellulari (dalla stazione base ai terminali dutente) Problema tipico della tratta downlink (forward link) di sistemi cellulari (dalla stazione base ai terminali dutente)

126 126 Accesso radio condiviso: Accesso Multiplo n Tecnica con la quale da un unico canale broadcast se ne possono ricavare altri di tipo punto-punto n Le stazioni trasmittenti possono essere molteplici (problema di coordinamento) canale 1 canale 2 canale 3 Problema tipico della tratta uplink (reverse link) di sistemi cellulari (dai terminali dutente alle stazioni base) Problema tipico della tratta uplink (reverse link) di sistemi cellulari (dai terminali dutente alle stazioni base) n 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 1

127 127 Accesso radio condiviso: Multiplazione/Accesso Multiplo AM Nodo 1 AM Nodo 4 AM Nodo 3 AM Nodo 2 Canale broadcast MPXDMPX Nodo 1 Nodo 2 Accesso Multiplo Multiplazione uCi occuperemo in seguito in dettaglio delle tecniche di accesso multiplo e multiplazione

128 128 Accesso radio condiviso: Riuso di frequenze n La risorsa radio deve essere divisa tra stazioni radio base n Il problema in questo caso è più complesso n 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 n Nella divisione della risorsa radio tra le celle in qualche modo la risorsa viene riusata più volte in celle sufficientemente distanti in modo che linterferenza reciproca risulti fortemente attenuata (si ricordi il path loss) n 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 dallaltro la qualità del canale n Dedicheremo nel seguito molta attenzione al problema!

129 129 Accesso radio condiviso: Prestazioni n Indipendentemente dal modo con il quale la risorsa viene suddivisa il numero di canali che si riesce ad assegnare a ciascuna cella è limitato n Salvo casi particolari (e che vedremo come quelli di allocazione dinamica, …) il numero di canali è anche fisso n Il numero di conversazioni contemporanee per cella è limitato ed è dunque possibile che allarrivo di una chiamata a circuito (ad es. voce) non vi siano più canali disponibili nella rete daccesso radio (blocco della chiamata) n Per valutare le prestazioni in termini di probabilità di blocco della chiamata occorre far ricorso ad alcuni elementi di teoria del traffico …

130 130 Teoria del traffico: il traffico istantaneo u Il traffico istantaneo in t è il numero di chiamate (messaggi, pacchetti, …) a(t) in corso al tempo t ta(t)=2 a(t) t t T2T2 1 2 vedi parte del corso su valutazione delle prestazioni vedi parte del corso su valutazione delle prestazioni

131 131 Teoria del traffico: Risultati sul traffico T A(T) = 1/T a(t) dt a(t) t T X2X2 X1X1 X3X3 a(t) dt = i X i in T T Risulta Il traffico medio in T è

132 132 A(T) = X(T) frequenza media dellarrivo delle chiamate (call/s) u X durata media dei messaggi (s) a(t) dt i X i n T T = nT A(T) = X Teoria del traffico: Risultati sul traffico Traffico medio in T

133 133 u Nel caso in cui le trasmissioni non possono sovrapporsi u è la frazione di tempo in cui le trasmissioni sono attive X1X1 t X2X2 a(t) dt i X i T T = A(T) = T Teoria del traffico: Risultati sul traffico u In realtà il traffico istantaneo a(t) è un processo casuale

134 134 Teoria del traffico: Il Traffico A = X u In condizioni di stazionarietà le medie non dipendono da T E[A(T)] = A u A non ha dimensione u Il traffico si misura in Erlang

135 135 Teoria del traffico: Efficienza u Il traffico massimo smaltibile è un parametro importante u Nel caso di singoli canali il massimo traffico smaltibile (da 0 a 1), max throughput, riflette lefficienza con cui i protocolli usano il canale

136 136 n E il processo casuale più semplice che descrive loccorrenza di punti (es. arrivo di chiamate) casuali sullasse temporale n descrizione: – N(t,t+ numero di punti nellintervallo [t,t+ ] N(0,t) 0t N(t,t+ ) Teoria del traffico: Il processo di Poisson

137 137 n Teorema 1 La probabilità che il numero di punti di Poisson N(t,t+ ) in un intervallo temporale fra t e t+ è pari a: Teoria del traffico: Il processo di Poisson

138 138 n Teorema 2 n Gli intervalli T tra punti di Poisson sono variabili casuali indipendenti con distribuzione esponenziale negativa n Vale anche il contrario: n Se un processo puntuale è caratterizzato da intervalli indipendenti identicamente distribuiti e con distribuzione esponenziale negativa, allora il processo è di Poisson Teoria del traffico: Il processo di Poisson Processo di Poisson ben rappresenta arrivo di chiamate voce

139 139 Teoria del traffico: Sistemi di servizio n Ad un sistema di servizio arrivano richieste di servizio secondo un processo (puntuale) degli arrivi n Ciascuna richiesta è caratterizzata da un tempo di servizio necessario ad uno dei serventi per soddisfarla n E possibile la presenza di un sistema di attesa (o coda) dove le richieste attendono che un servente si liberi arrivi serventi

140 140 Teoria del traffico: Sistema a pura perdita n Per modellare larrivo delle chiamate in una cella con un numero di canali disponibili pari a n basta usare un sistema a pura perdita (senza posti in coda) con n serventi n Si mostra che, nellipotesi di arrivi di Poisson, la probabilità di rifiuto di una chiamata è data dalla formula B di Erlang: dove A= T (in Erlang), frequenza media degli arrivi (call/s), T durata media delle chiamate n NOTA: vale per qualunque distrib. della durate delle chiamate

141 141 Teoria del traffico: Sistema a pura perdita n Il traffico perso (rifiutato) dal sistema è dato da: n mentre quello smaltito da: n Il coefficiente di utilizzo dei canali è dato da:

142 142 Teoria del traffico: Probabilità di blocco

143 143 Teoria del traffico: Probabilità di blocco Al crescere del carico offerto (Erlang) cresce la probabilità di blocco

144 144 Teoria del traffico: Probabilità di blocco Data una probabilità di blocco desiderata, più alto il numero di canali, più elevato il traffico offerto che può essere sostenuto

145 145 Teoria del traffico: Probabilità di blocco Data una probabilità di blocco desiderata e dato un traffico atteso (target di utenti) quale è il numero minimo di canali necessario?

146 146 Problematiche di MAC in reti ad hoc n Si usano approcci CSMA-like, e.g. CSMA/CA n Perche non TDMA like? n Perche non CSMA/CD? nodi non ricevono/trasmettono contemporaneamente n Hidden terminal n Exposed terminal I due nodi che Tx non si ascoltano Il nodo Potrebbe trasmettere

147 Distributed Coordination Function n Basato sul CSMA/CA n Prima di trasmettere un frame una stazione fa il sensing del canale n Se il canale e libero per un intervallo superiore al Distributed InterFrame Space (DIFS) la stazione trasmette n Altrimenti (canale gia occupato) si aspetta la fine della trasmissione corrente + un intervallo casuale detto backoff timer. n Il backoff timer viene decrementato solo quando il canale e idle e viene congelato quando invece il canale e occupato (e riattivato quando il canale e libero per un DIFS) DOMANDA:PERCHE? n La stazione trasmette quando il backoff timer raggiunge il valore zero. n Il valore del backoff timer e scelto casualmente allinterno di una finestra di CW slots. Al primo tentativo CW e settato al valore minimo previsto da standard settato a 16. n Come fa la MS trasmettente a sapere se il frame e stato ricevutocon successo (collisioni si possono verificare per trasmissioni simultanee o per effetto del terminale nascosto)? Viene inviato dal ricevente un ACK esplicito alla fine della corretta ricezione del frame, dopo aver atteso per un tempo pari allo Short InterFrame Space (SIFS), SIFS

148 Distributed Coordination Function

149 149 Effetto dellRTS e CTS RTS CTS

150 Distributed Coordination Function Virtual carrier sensing

151 151 n FINE TERZA LEZIONE

152 152 Allocazione delle frequenze: organizzazione a celle

153 153 Coverage for a terrestrial zone 1 Base Station N=12 channels (e.g. 1 channel = 1 frequency) N=12 simultaneous calls d Signal OK if P rx > -X dBm P rx = c P tx d -4 greater P tx greater d BS Covering a large geographical area NOT possible

154 154 Cellular coverage target: cover the same area with a larger number of BSs 19 Base Station 12 frequencies 4 frequencies/cell Worst case: 4 calls (all users in same cell) Best case: 76 calls (4 users per cell, 19 cells) Average case >> 12 Low transmit power Key advantages: Increased capacity (freq. reuse) Decreased tx power

155 155 Cellular coverage (microcells) many BS Very low power!! Unlimited capacity!! Usage of same spectrum (12 frequencies) (4 freq/cell) Disadvantage: mobility management additional infrastructure costs

156 156 Cellular system architecture f4 f5 f6 f3 f1 f2 f7 f4 f5 f6 f3 f1 f2 f7 f4 f5 f6 f3 f1 f2 f7 f4 f5 f6 f3 f1 f2 f7 MSC 1 MSC 2 Wired network 1 BS per cell Cell: Portion of territory covered by one radio station One or more carriers (frequencies; channels) per cell Mobile users full- duplex connected with BS 1 MSC controls many BSs MSC connected to PSTN BS= Base Station MSC = Mobile Switching Centre PSTN = Public Switching Telephone Network

157 157 Cellular capacity n Increased via frequency reuse n Frequency reuse depends on interference n need to sufficiently separate cells – reuse pattern = cluster size (7 4 3): discussed later n Cellular system capacity: depends on n overall number of frequencies – Larger spectrum occupation n frequency reuse pattern n Cell size – Smaller cell (cell microcell picocell) = greater capacity – Smaller cell = lower transmission power – Smaller cell = increased handover management burden

158 158 A B C DA B C D hexagonal cells n Hexagon: n Good approximation for circle n Ideal coverage pattern – no holes – no cell superposition A B C D A B C D A B C A A B C D A C D B D B Example case: Reuse pattern = 4

159 159 Cells in real world Shaped by terrain, shadowing, etc Cell border: local threshold, beyond which neighboring BS signal is received stronger than current one

160 PART 2 Cellular Coverage Concepts (piu in dettaglio sullorganizzazione di un sistema cellulare) Lecture 2.2 Clusters and CCI

161 161 Reuse patterns n Reuse distance: n Key concept n In the real world depends on – Territorial patterns (hills, etc) – Transmitted power –and other propagation issues such as antenna directivity, height of transmission antenna, etc n Simplified hexagonal cells model: n reuse distance depends on reuse pattern (cluster size) n Possible clusters: – 3,4,7,9,12,13,16,19,… D R Cluster: K = D K =

162 162 Dim. dei cluster di celle D K=

163 163 Dimensione dei cluster K=4 A B C DA B C DA B C D A B C D A B C A A B C D A C D B D B

164 164 Dimensione dei cluster D K=7

165 165 Reuse distance n General formula n Valid for hexagonal geometry n D = reuse distance n R = cell radius n K=cluster size n q = D/R =frequency reuse factor

166 166 Proof n Distance between two cell centers: n (u 1,v 1 ) (u 2,v 2 ) n Simplifies to: n Distance of cell (i,j) from (0,0): n Cluster: easy to see that n hence: 30° v u (1,1) (3,2)

167 167 Proof n Distance between two cell centers: n (u 1,v 1 ) (u 2,v 2 ) n Simplifies to: n Distance of cell (i,j) from (0,0): n Cluster: easy to see that n hence: 30° v u (1,1) (3,2)

168 168 Proof n Distance between two cell centers: n (u 1,v 1 ) (u 2,v 2 ) n Simplifies to: n Distance of cell (i,j) from (0,0): n Cluster: easy to see that n hence: 30° v u (1,1) (3,2)

169 169 Proof n Distance between two cell centers: n (u 1,v 1 ) (u 2,v 2 ) n Simplifies to: n Distance of cell (i,j) from (0,0): n Cluster: easy to see that n hence: 30° v u (1,1) (3,2)

170 170Proof n Distance between two cell centers: n (u 1,v 1 ) (u 2,v 2 ) n Simplifies to: n Distance of cell (i,j) from (0,0): n Cluster: easy to see that n hence: 30° v u (1,1) (3,2) Se R è il raggio di un esagono la metà della distanza tra due celle adiacenti è Quindi la distanza tra due celle adiacenti è 2 volte questa quantità!

171 171Proof n Distance between two cell centers: n (u 1,v 1 ) (u 2,v 2 ) n Simplifies to: n Distance of cell (i,j) from (0,0): n Cluster: easy to see that n hence: 30° v u (1,1) (3,2)

172 172 K=7 Proof n Se considero una cella che usa un determinato gruppo di frequenze A dato che voglio ricoprire larea con cluster i centri delle celle intereferenti saranno a distanza D n Posso approssimare larea di ciascun cluster con larea di un esagono il cui raggio e dato da D

173 173 Proof n Larea occupata da un cluster A cluster e quindi data da: n Quanti esagoni di area possono stare in unarea pari a ? n Risposta:

174 174 Clusters K=7 (i=2,j=1) K=4 (i=2,j=0)

175 175 Possible clusters all integer i,j values Dim.ammissibili dei cluster 1,3,4,7,9,12,13,16,…

176 176 Co-Channel Interference n Frequency reuse implies that remote cells interfere with tagged one n Co-Channel Interference (CCI) n sum of interference from remote cells C B A D E C B A D E F G C A D E F A E F GA E F G C B A F G C B A D

177 177 CCI Computation - assumptions n Assumptions n N I =6 interfering cells – N I =6: first ring interferers only – we neglect second-ring interferers n Negligible Noise N S – S/N ~ S/I d propagation law – =4 (in general) n Same parameters for all BSs – Same P tx, antenna gains, etc n Key simplification n Signal for MS at distance R n Signal from BS interferers at distance D R R D Power P o Power P o D int D int ~ D

178 178 CCI computation Results depend on ratio q=D/R (q=frequency reuse factor) By using the assumptions of same cost and same D: Alternative expression: recalling that USAGE: Given an S/I target, cluster size K is obtained N I =6, =4

179 179 Examples n target conditions: n S/I=9 dB =4 n Solution: n target conditions: n S/I= 18dB =4.2 n Solution:

180 180 S/I computation assuming 6 interferers only (first ring)

181 181 Additional interferers n case K=4 n note that for each cluster there are always N I =6 first- ring interferers A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C A B C A B C D B C D A B C D A B C D B C D A B C D A B C D B D B D B A B A B In CCI computation, contribute of additional interferers is marginal

182 182 Multiple Tiers of Interferers approssimazione

183 183 Special case of co-channel interference

184 184

185 185 sectorization n Directional antennas n Cell divided into sectors n Each sector uses different frequencies n To avoid interference at sector borders n PROS: n CCI reduction n CONS: n Increased handover rate n Less effective trunking leads to performnce impairments Sector 1 Sector 2 Sector 3 CELL a

186 186 CCI reduction via sectorization three sectors case C B D E C BD E F G C D E F E F GA E F G C B A F G C B A D F G n Inferference from 2 cells, only n Instead of 6 cells AAAA With usual approxs (specifically, D int ~ D) Conclusion: 3 sectors = 4.77 dB improvement

187 187 6 sectors n 60 o Directional antennas n CCI reduction: n 1 interfereer only n 6 x S/I in the omni case n Improvement: 7.78 dB

188 188 6 sectors C B D E C BD E F G C D E F E F G E F G C B F G C BD F G A A AAAAA Unica BS che disturba le ricezioni/ trasmissioni verso/dalle MU nella cella di riferimento Cella di riferimento

189 189 Pianificazione di sistemi cellulari

190 190 Blocking probability: Erlang-B n Fundamental formula for telephone networks planning n A o =offered traffic in Erlangs Efficient recursive computation available

191 191 Capacity planning n Target: support users with a given Grade Of Service (GOS) n GOS expressed in terms of upper-bound for the blocking probability – GOS example: subscribers should find a line available in the 99% of the cases, i.e. they should be blocked in no more than 1% of the attempts n Given: – C channels – Offered load A o – Target GOS B target n C obtained from numerical inversion of

192 192 Channel usage efficiency C channels Offered load (erl) Carried load (erl) Blocked traffic Fundamental property: for same GOS, efficiency increases as C grows!!

193 193 example GOS = 1% maximum blocking. Resulting system dimensioning and efficiency: 40 erlC >= erlC >= erlC >= erlC >= 117 = 74.9% = 79.3% = 82.6% = 84.6%

194 194 Trunking Efficiency

195 195 Erlang B calculation - tables ErlangB Online calculator: uhttp://mmc.et.tudelft.nl/~frits/Erlang.htmhttp://mmc.et.tudelft.nl/~frits/Erlang.htm

196 196 Application to cellular networks Meglio con area dell esagono !

197 197 Other example

198 198 Other example Caso particolare in cui il fatto di avere più celle piccole non porta ad un vantaggio in termini di riuso delle frequenze

199 199 Sectorization and traffic n Assume cluster K=7 n Omnidirectional antennas: S/I=18.7 dB n 120 o sectors:S/I=23.4 dB n 60 o sectors:S/I=26.4 dB n Sectorization yields to better S/I n BUT: the price to pay is a much lower trunking efficiency! n With 60 channels/cell, GOS=1%, n Omni:60 channelsA o =1x46.95= erl =77.46% 120 o :60/3=20 channelsA o =3x12.03= 36.09erl =59.54% 60 o :60/6=10 channelsA o =6x4.46= 26.76erl =44.15%

200 200 FINE QUARTA LEZIONE

201 201 Gestione della mobilità

202 202 Cellular coverage (microcells) many BS Very low power!! Unlimited capacity!! Usage of same spectrum (12 frequencies) (4 freq/cell) Disadvantage: mobility management additional infrastructure costs

203 203 Gestione della mobilità n Nelle reti cellulari gli utenti possono muoversi nellarea del sistema e quindi passare da una cella ad unaltra n Questo ovviamente pone problemi di instradamento dellinformazione (o più semplicemente delle chiamate nel caso di servizio voce) n Tutte le procedure che la rete mette in atto per consentire agli utenti mobili di essere raggiunti da una comunicazione e di mantenere la comunicazione attiva anche in presenza di cambiamento di cella vanno sotto il nome di gestione della mobilità

204 204 Gestione della mobilità n Gli utenti di sistemi cellulari MENTRE SI SPOSTANO possono: n chiamare n essere chiamati n conversare n E necessaria una qualche intelligenza che supporti tutto questo (funzionalità di ROAMING).

205 205 Gestione della mobilità n Nel caso di servizio a circuito le procedure di gestione della mobilità si differenziano a secondo che lutente che si sposta sia in stato IDLE (nessun circuito attivo) o in stato ACTIVE (in conversazione) n ACTIVE: cè un circuito attivo che deve essere reinstradato dopo ogni cambio di cella (Handover) n IDLE: lutente deve poter essere localizzato per indirizzargli una chiamata (Location Update, Cell Selection, Cell Reselection)

206 206 Gestione della mobilità: Cell selection n Un terminale mobile in idle si aggancia ad una cella sulla base del segnale ricevuto dalla stazione base n Su un opportuno canale di controllo comune la stazione radio base trasmette dellinformazione di sistema che, tra laltro, specifica il suo identificativo n Il terminale mobile scandisce le frequenze radio per decodificare il canale di controllo delle stazioni base della zona n Il terminale seleziona la stazione base da cui riceve il segnale più potente n Il terminale non smette mai di scandire periodicamente anche le altre frequenze e se trova un segnale più forte da unaltra stazione base cambia la selezione

207 207 Gestione della mobilità: Location Update n Location Area: entità topologica gerarchicamente superiore alla cella (gruppo di più celle) n Un utente IDLE è localizzato dal sistema su base Location Area (e non su base cella) n Lultima location area di ogni utente è memorizzata in opportuni database della rete LA 1 LA 2 Data Base

208 208 Gestione della mobilità: Location Update n Se un utente in stato IDLE passa da una LA ad unaltra scatena una procedura di Location Update n Linformazione sulla LA in cui si trova un utente serve per indirizzare le chiamate LA 2 Data Base LA 1

209 209 Gestione della mobilità: Paging n Allarrivo di una chiamata per lutente mobile viene consultato il registro n Una volta nota la LA viene iniziata una procedura di paging n Ogni stazione base della LA invia un messaggio di controllo in broadcast con lidentificativo dellutente cercato n Alla risposta del teminale mobile la rete conosce la cella e instrada la chiamata Data Base paging reply

210 210 Gestione della mobilità: Paging vs. Location Update n QUESITO: n Quanto grandi conviene fare le Location Area? – piccole – grandi n Cosa spinge in un verso, cosa nellaltro? LA 2 Data Base LA 1

211 211 Gestione della mobilità: Handover n Procedura con cui un terminale mobile in conversazione cambia la stazione base su cui è attestato n Nel network-controlled handoff e mobile assisted handoff (NCHO e MAHO) la procedura è sempre iniziata lato rete, sulla base di misurazioni (potenza del segnale ricevuto, qualità, ecc.) effettuate sia lato rete che lato utente n Si richiedono procedure di Handover efficienti e veloci n Vedremo nel caso del GSM come le procedure di handover vengono gestite dal punto di vista della segnalazione di rete e del routing del circuito

212 212 Gestione della mobilità: Handover n La scelta delle soglie di attivazione della procedura di handover è fattore critico n Se h è troppo piccolo t è troppo piccolo e si rischia di perdere la connessione n Se h è grande aumenta il numero di richieste di handover e quindi il traffico di segnalazione in rete Quando scatenare un Handover? t t Handover TH Receiver TH h

213 213 Gestione della mobilità: Handover n Esistono diversi metodi 1 - metodo del segnale più forte – lhandover avviene nel punto A Quando scatenare un Handover? ua causa delle fluttuazioni del segnale sono possibili molti rimbalzi (effetto ping-pong)

214 214 Gestione della mobilità: Handover n Esistono diversi metodi 2 - metodo del segnale più forte con soglia – se il segnale dalla precedente BS è inferiore a una soglia (as. es. T2) e la potenza di unaltra BS è più forte; lhandover avviene nel punto B Quando scatenare un Handover?

215 215 Gestione della mobilità: Handover n Esistono diversi metodi 3 - metodo del segnale più forte con isteresi – se la potenza dellaltra BS è più forte di un valore h; lhandover avviene nel punto C Quando scatenare un Handover?

216 216 Gestione della mobilità: Prestazioni Handover n Quando avviene un handover viene rilasciato il canale nella vecchia cella e viene richiesto un canale nella nuova; il canale nella nuova può non essere disponibile n Definiamo la probabilità di rifiuto di handover (P drop ) come la probabilità che una richiesta di handover non possa essere soddisfatta e la probabilità di blocco (P block ) come la probabilità di rifiutare una nuova chiamata n Nei sistemi che trattano le richieste di handover come le nuove richieste entranti (call setup) P drop =P block n In realtà è meglio bloccare una chiamata entrante che perderne una attiva n Si può tentare di trattare meglio le richieste di handover

217 217 Gestione della mobilità: Prestazioni Handover Tecnica dei Canali di Guardia n Canali di guardia (Guard Channels) n Un certo numero di canali viene riservato per le richieste di handover n P drop diventa più bassa ma la capacità del sistema risulta inferiore n E critico il dimensionamento del sistema che necessita stime accurate sullandamento temporale del traffico (quanti canali riservo alle richieste di handover?)

218 218 Gestione della mobilità n Altre possibilità n Queuing priority scheme – Handoff area: area allinterno della quale lMS puo ascoltare entrambe le stazioni base. Se non sono disponibili canali nella nuova BS si continua ad essere interconnessi alla vecchia BS; la richiesta di handover viene bufferizzata alla nuova BS e servita non appena si libera un canale. n Subrating scheme – Se non ci sono canali disponibili presso la nuova Base Station un canale precedentemente allocato per una chiamata viene diviso in due canali a meta data rate, permettendo ad entrambe le chiamate di andare avanti.

219 219 Roaming. 1. Allarrivo a LA lutente deve registrarsi con il nuovo VLR 2. Il nuovo VLR informa lHLR dellutente della sua nuova posizione. LHLR invia in risposta un ack con informazioni quali il profilo dellutente 3. Il nuovo VLR informa lutente della registrazione con successo 4. LHLR invia un messaggio di deregistrazione verso il vecchio VLR MSC VLR MSC VLR HLR PSTN NY LA HLR: Home location register VLR: Visiting location register

220 220 Set up di chiamate. Esempi 1. MS telefono fisso tramite lVLR dellMS 1. Telefono fisso MS:tramite il gateway MSC si contatta lHLR e tramite questo il VLR corrente. 2. IL VLR restituisce linfo sullMSC da contattare 3. La chiamata viene messa su MSC VLR MSC VLR HLR PSTN NY LA GMSC

221 221 Gestione della mobilità: Tipologie di Handover n Hard Handover (GSM-2G) n Soft Handover (UMTS-3G) Presuppone labbattimento e linstaurazione di un nuovo link radio Sfruttando la macrodiversità lutente è contemporaneamente collegato con più stazioni base

222 222 Gestione della mobilità: Handover n Ci occuperemo in seguito dellhandover in GMS LETTURA CONSIGLIATA: Trends in handover design Pollini, G.P. IEEE Communications Magazine, Volume: 34 Issue: 3, March 1996 Page(s): LETTURA CONSIGLIATA: Trends in handover design Pollini, G.P. IEEE Communications Magazine, Volume: 34 Issue: 3, March 1996 Page(s):

223 223 Codifica della voce

224 224 Codifica della voce: Caratteristiche tempo/frequenza (suono vocalizzato) suono vocalizzato: vocale e

225 225 Codifica della voce: Caratteristiche tempo/frequenza suono non vocalizzato: consonante f

226 226 Codifica della voce: Caratteristiche tempo/frequenza Parola: effe

227 227 Codifica della voce: Codificatori vocali n Waveform codecs n Source codecs (vocoders) n Hybrid codecs Trasformano la voce in un flusso di bit Digitalizzazione di un Segnale analogico Realizzano una descrizione esplicita della forma donda in ingresso (es. PCM)

228 228 Codifica della voce: Waveform codecs n nessuna conoscenza a priori di come il segnale sia stato generato n informazione necessaria: n banda del segnale B (telefonia classica < 4 KHz) n massimo rumore di quantizzazione tollerabile campionatore A to D b bits per campione alta qualita, bassa complessita, basso ritardo (1 campione), robustezza agli errori e al rumore di fondo

229 229 Codifica della voce: Waveform codecs n nessuna conoscenza a priori di come il segnale sia stato generato n informazione necessaria: n banda del segnale B (telefonia classica < 4 KHz) n massimo rumore di quantizzazione tollerabile campionatore A to D b bits per campione alta qualita, bassa complessita, basso ritardo (1 campione), robustezza agli errori e al rumore di fondo

230 230 Codifica della voce: Pulse Code Modulation (PCM) n standardizzato da ITU nel 1960: G.711 n si assume B=4 kHz, e la frequenza di campionamento Bc=8 kHz, 8 bit/campione, 64 kb/s n due differenti regole di quantizzazione (logaritmica) per America ( -law) e n Europa (A-law) n regole di conversione standard

231 231 Effetto di diversi tipi di quantizzazione Asse delle ampiezze suddiviso in intervalli uguali compressione

232 232 Fasi della codifica/decodifica Filtraggio Campionamento Codifica Compressione Si campiona a 8000 volte al secondo 12 bit per campione 8 bit per campione CODIFICA EspansioneDecodificaRicostruzione 12 bit a campione Segnale campionato e quantizzato Segnale analogico DECODIFICA

233 233 Codifica della voce: Waveform codecs n nessuna conoscenza a priori di come il segnale sia stato generato n informazione necessaria: n banda del segnale B (telefonia classica < 4 KHz) n massimo rumore di quantizzazione tollerabile campionatore A to D b bits per campione alta qualita, bassa complessita, basso ritardo (1 campione), robustezza agli errori e al rumore di fondo

234 234 Codifica della voce: Waveform codecs n nessuna conoscenza a priori di come il segnale sia stato generato n informazione necessaria: n banda del segnale B (telefonia classica < 4 KHz) n massimo rumore di quantizzazione tollerabile campionatore A to D b bits per campione alta qualita, bassa complessita, basso ritardo (1 campione), robustezza agli errori e al rumore di fondo

235 235 Codifica della voce: Differential PCM (DPCM) n i campioni vocali successivi presentano della correlazione n è possibile utilizzare metodi di predizione per valutare il campione successivo noti i precedenti n si trasmette solo la differenza tra valore predetto e valore reale n a causa della correlazione la varianza della differenza è minore ed è possibile codificarla con un minor numero di bit predittore + camp. + - quant.

236 236 Codifica della voce: Adaptive DPCM (ADPCM) n le prestazioni migliorano se predittore e quantizzatore sono adattativi n standardizzato nel 1980 da ITU ADPCM a 32 kbit/s: G.721 n successivamente ADPCM a 40, 32, 24, 16 kbit/s: G.726 e G.727 Predittore adattativo + camp. + - quant. adattativo Bassa qualità Cordless DECT Vantaggi: riduzione della velocità di emissione a parità di qualità (da 64Kbps a 32 Kbps) 2) consentire una maggiore qualita a parita di data rate disponibile per ogni canale vocale)

237 237 n Si basano su modelli di generazione della voce umana n i modelli permettono di togliere la ridondanza da segmenti vocali fino a uninformazione base sufficiente a riprodurre la voce (Idea: se conosciamo la struttura del segnale poche informazioni caratteristiche saranno sufficienti a ricostruirlo) n elevata complessità n ritardi mediamente elevati n sensibili a errori, rumore di fondo e suoni non umani Codifica della voce: Source codecs (vocoders) Filtro di analisi Filtro di sintesi Pesatura e minimizzazione dellerrore sequenza di eccitazione Esempio: predittore lineare

238 238 Codifica della voce: Vocoder lineari (LPC) n in decodifica un sintetizzatore utilizza i parametri ricevuti per riprodurre il segnale n ritardi elevati: segmentazione, analisi, sintesi n qualità: intelligibile ma non naturale (limiti modello + problemi con rumori di fondo) n bit rate basso: < 2.4 kbit/s

239 239 G.711 PCM G.726 ADPCM G.728 LD-CELP G.729 CS-ACELP G MP-MLQ G ACELP Compressione Bit rate (kbit/s) Frame size (ms) Look ahead (ms) Year RPE-LTP (GSM) Codifica della voce: Principali Codifiche G.722 Subband ADPCM ibrido La sequenza di partenza da cui il decodificatore deve partire per ricostruire il segnale vocale non e una sequenza pseudocasuale ma rappresentativa del segnale reale

240 240 Cenni storici: Prima Generazione (1G) AMPS: Advanced Mobile Phone Service ] 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

241 241 Cenni storici: Prima Generazione (1G) AMPS: Advanced Mobile Phone Service ] 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 Uplink: trasmissione da terminale mobile a base station Downlink: trasmissione da base station a terminale mobile

242 242 Cenni storici: Verso 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 allinterferenza Maggiore capacità (codifiche voce efficienti) Sicurezza

243 243 Cenni storici: n 1982 Groupe Special Mobile del CEPT (conferenza europea della amministrazioni delle poste e delle comunicazioni) comincia lo sviluppo di un sistema cellulare digitale e pan-europeo n 1989 Il gruppo GSM viene trasferito come parte dellETSI (European Telecommunications Standard Institute) GSM denominato Global System for Mobile communications n Vengono creati diversi sottocomitati dellETSI che si occupano degli aspetti collegati ai servizi, aspetti aspetti radio, di rete, servizi dati, gestione della rete, sicurezza, codifica vocale GSM n 1992 primi sistemi GSM (94 primi servizi dati)

244 244 Cenni storici: Seconda Generazione (2G/2G+) n Nel 92 è stato introdotto GSM in Europa con un successo ed una diffusione enorme (60% del mercato globale) n D-AMPS e United States Digital Cellular system IS-95 (CDMA) sono introdotte in USA nella metà degli anni 90 con grande successo (meno del GSM) n Fine anni 90 standardizzazione di reti con accesso a pacchetto (EDGE, GPRS-General Packet Radio Service, HCSCD) n Anni 2000 UMTS (Universal Mobile Telecommunication Systems)e CDMA2000 (3G) n 3GPP Third Generation Partnership Project (derivato da uno dei comitati tecnici del GSM)

245 245 Cenni storici: Digital Cellular Systems World-wide GSM D-AMPS Japan Digital PCS 1900 DCS 1800 CDMA Dati da

246 246 uControl/data channel u Simplex Systems/Duplex Systems (half and full duplex) u Handoff Alcune definizioni...

247 247 Fine quinta lezione


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