Assegnamento Canali/Frequenze in Reti Wireless MAN e WAN UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PERUGIA Corso di Laurea Specialistica in Informatica Studente: Valentino Santucci Simone Cordidonne Laboratorio Reti di Computer 2 Docente: Prof. Antonio Riganelli

2 Perché è importante Le reti wireless su aree medio/grandi (MAN/WAN) sono in parte realtà (reti di fonia cellulare: GSM,UMTS) ed in parte in fase di sperimentazione (reti a banda larga: WiMax,Hyperman). Le reti wireless su aree medio/grandi (MAN/WAN) sono in parte realtà (reti di fonia cellulare: GSM,UMTS) ed in parte in fase di sperimentazione (reti a banda larga: WiMax,Hyperman).

3 Rete di fonia cellulare: GSM (1/2) Il Global System for Mobile Communications (GSM) è attualmente lo standard di telefonia mobile più diffuso del mondo. Il Global System for Mobile Communications (GSM) è attualmente lo standard di telefonia mobile più diffuso del mondo. ll servizio principale della rete GSM e' chiaramente la comunicazione vocale. Con il tempo però sono stati implementati altri servizi importanti quali gli SMS e la comunicazione dati. ll servizio principale della rete GSM e' chiaramente la comunicazione vocale. Con il tempo però sono stati implementati altri servizi importanti quali gli SMS e la comunicazione dati.

4 Rete di fonia cellulare: GSM (2/2) Le frequenze usate dalla rete GSM sono 850, 900, 1800, 1900 MHz e variano a seconda degli stati in cui la rete stessa e' installata. Le frequenze usate dalla rete GSM sono 850, 900, 1800, 1900 MHz e variano a seconda degli stati in cui la rete stessa e' installata. Tipicamente nelle nazioni europee si utilizza lintervallo di frequenze MHz, mentre negli Stati Uniti le frequenze usate sono MHz. Tipicamente nelle nazioni europee si utilizza lintervallo di frequenze MHz, mentre negli Stati Uniti le frequenze usate sono MHz.

5 Rete di fonia cellulare: UMTS (1/2) Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) è la tecnologia di telefonia mobile di terza generazione (3G) successore del GSM. Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) è la tecnologia di telefonia mobile di terza generazione (3G) successore del GSM. Le applicazioni tipiche attualmente implementate, usate dalla reti UMTS in Italia, sono tre: voce ( 12,2 Kbit/s), videoconferenza ( 64 Kbit/s) e trasmissione dati a pacchetto ( 384 Kbit/s). Le applicazioni tipiche attualmente implementate, usate dalla reti UMTS in Italia, sono tre: voce ( 12,2 Kbit/s), videoconferenza ( 64 Kbit/s) e trasmissione dati a pacchetto ( 384 Kbit/s).

6 Rete di fonia cellulare: UMTS (2/2) Le bande di frequenza originariamente previste per lo standard UMTS sono MHz e MHz, rispettivamente per la trasmissione e la ricezione. Le bande di frequenza originariamente previste per lo standard UMTS sono MHz e MHz, rispettivamente per la trasmissione e la ricezione.

7 Reti wireless a banda larga: WiMax (1/2) WiMAX (IEEE ) è una tecnologia di rete MAN senza fili che connetterà ad Internet gli hotspot Wi-Fi e fornirà una estensione wireless alle connessioni a cavo e DSL per l'accesso in banda larga dellultimo miglio. WiMAX (IEEE ) è una tecnologia di rete MAN senza fili che connetterà ad Internet gli hotspot Wi-Fi e fornirà una estensione wireless alle connessioni a cavo e DSL per l'accesso in banda larga dellultimo miglio. IEEE consente una estensione di area di servizio lineare fino a 50 km e consente agli utenti una connettività ad una stazione base verso la quale manca una linea diretta di vista. IEEE consente una estensione di area di servizio lineare fino a 50 km e consente agli utenti una connettività ad una stazione base verso la quale manca una linea diretta di vista.

8 Reti wireless a banda larga: WiMax (2/2) Il più recente standard pubblicato a contempla ambienti per sistemi che operano in bande tra 2 e 11 GHz con la possibilità di gestire trasmissioni in ambiente Non-Line- of-Sight, "Non A Vista. Il più recente standard pubblicato a contempla ambienti per sistemi che operano in bande tra 2 e 11 GHz con la possibilità di gestire trasmissioni in ambiente Non-Line- of-Sight, "Non A Vista.

9 Reti wireless a banda larga: HIPERMAN HIPERMAN (High Performance Radio Metropolitan Area Network) è uno standard creato dallETSI (European Telecommunications Standards Institute) per reti wireless per sistemi che operano in bande tra 2 e 11 GHz in Europa e costituisce unalternativa allo standard del WiMax. HIPERMAN (High Performance Radio Metropolitan Area Network) è uno standard creato dallETSI (European Telecommunications Standards Institute) per reti wireless per sistemi che operano in bande tra 2 e 11 GHz in Europa e costituisce unalternativa allo standard del WiMax.

10 Digital Divide (1/2) Con Digital Divide (divario digitale) si intende il divario esistente nell'accesso alle telecomunicazioni a banda larga. Con Digital Divide (divario digitale) si intende il divario esistente nell'accesso alle telecomunicazioni a banda larga. Causato da una inadeguata presenze di infrastrutture di rete sul territorio. Causato da una inadeguata presenze di infrastrutture di rete sul territorio.

11 Digital Divide (2/2) Il problema del Digital Divide non è presente soltanto allinterno di paesi sottosviluppati, ma anche nelle nazioni più tecnologicamente evolute. Il problema del Digital Divide non è presente soltanto allinterno di paesi sottosviluppati, ma anche nelle nazioni più tecnologicamente evolute. Dovuto principalmente alla difficoltà di piazzare infrastrutture di rete in zone montuose o impervie in generale. Dovuto principalmente alla difficoltà di piazzare infrastrutture di rete in zone montuose o impervie in generale.

12 Es. Copertura ADSL La copertura del territorio italiano con accessi a Internet a velocità superiori a 1 Mb/sec (quindi a banda larga) è intorno al 50% nel quale rientrano i 20 maggiori centri (Roma, Milano, Torino, Genova, Napoli, etc.). La copertura del territorio italiano con accessi a Internet a velocità superiori a 1 Mb/sec (quindi a banda larga) è intorno al 50% nel quale rientrano i 20 maggiori centri (Roma, Milano, Torino, Genova, Napoli, etc.). Ben al di sotto della media europea (95% di Regno Unito, oltre il 90% in Francia) e di stati con un territorio più vasto dell'Italia e una più bassa densità abitativa e quindi più piccoli centri da coprire. Ben al di sotto della media europea (95% di Regno Unito, oltre il 90% in Francia) e di stati con un territorio più vasto dell'Italia e una più bassa densità abitativa e quindi più piccoli centri da coprire.

13 Soluzione In Francia e Inghilterra tale livello di copertura è in buona parte dovuto all'utilizzo diffuso di tecnologie wireless, liberalizzate da alcuni anni, per servire territori in cui non è conveniente un servizio DSL oppure la posa della Fibra ottica. In Francia e Inghilterra tale livello di copertura è in buona parte dovuto all'utilizzo diffuso di tecnologie wireless, liberalizzate da alcuni anni, per servire territori in cui non è conveniente un servizio DSL oppure la posa della Fibra ottica.

14 WLL II Wireless Local Loop rappresenta una via per fornire servizi voce e dati a case e uffici senza dover passare per l'ultimo miglio tradizionale, ovvero quello che lega le abitazioni alla rete telefonica. II Wireless Local Loop rappresenta una via per fornire servizi voce e dati a case e uffici senza dover passare per l'ultimo miglio tradizionale, ovvero quello che lega le abitazioni alla rete telefonica. I sistemi basati su WLL impiegano lo spettro di frequenze a 26 Ghz e consentono di "irradiare" le città con un numero limitato di antenne. I sistemi basati su WLL impiegano lo spettro di frequenze a 26 Ghz e consentono di "irradiare" le città con un numero limitato di antenne.

15 Internet a banda larga senza fili Nella telefonia senza fili fissa, una "wireless local loop" puo' sostituire l'ultima connessione (last mile) di una rete telefonica cablata fissa, qualora tale rete cablata non sia realizzabile a costi ragionevoli, come avviene nei paesi desertici o in via di sviluppo. Nella telefonia senza fili fissa, una "wireless local loop" puo' sostituire l'ultima connessione (last mile) di una rete telefonica cablata fissa, qualora tale rete cablata non sia realizzabile a costi ragionevoli, come avviene nei paesi desertici o in via di sviluppo. In tal caso è richiesto di assegnare una frequenza ad ogni stazione. In tal caso è richiesto di assegnare una frequenza ad ogni stazione.

16 Telefonia Cellulare Nella telefonia cellulare mobile, un utente mobile all'interno di una cella si connette con la stazione base della cella medesima. Nella telefonia cellulare mobile, un utente mobile all'interno di una cella si connette con la stazione base della cella medesima. Poiché si richiede una connessione individuale per ogni utente nella stessa cella, è necessario assegnare molti canali alla stessa stazione. Poiché si richiede una connessione individuale per ogni utente nella stessa cella, è necessario assegnare molti canali alla stessa stazione.

17 Limiti dello spettro radio Problema: sono presenti in genere molte celle ma ci sono poche frequenze disponibili così che per utilizzare al massimo lo spettro radio è necessario un efficiente algoritmo di assegnamento delle frequenze. Problema: sono presenti in genere molte celle ma ci sono poche frequenze disponibili così che per utilizzare al massimo lo spettro radio è necessario un efficiente algoritmo di assegnamento delle frequenze.

18 Interferenze La maggior difficoltà verso un utilizzo efficiente dello spettro radio è dato dalle interferenze. La maggior difficoltà verso un utilizzo efficiente dello spettro radio è dato dalle interferenze. Causano una bassa qualità del segnale radio e quindi la necessità di ritrasmissione dei messaggi. Causano una bassa qualità del segnale radio e quindi la necessità di ritrasmissione dei messaggi. Tuttavia possono essere eliminate (o per lo meno ridotte) con accurati tecniche di assegnamento dei canali. Tuttavia possono essere eliminate (o per lo meno ridotte) con accurati tecniche di assegnamento dei canali. Si distinguono 2 tipi di interferenze... Si distinguono 2 tipi di interferenze...

19 Interferenza Co-canale Interferenza co-canale: si verifica quando due utenti siti in celle adiacenti (o vicine) utilizzano lo stesso canale. Interferenza co-canale: si verifica quando due utenti siti in celle adiacenti (o vicine) utilizzano lo stesso canale. Interferenza molto critica che dipende fortemente dal traffico cellulare. Interferenza molto critica che dipende fortemente dal traffico cellulare. La possibilità che si verifichi è maggiore nelle ore in cui il sistema cellulare è più indaffarato. La possibilità che si verifichi è maggiore nelle ore in cui il sistema cellulare è più indaffarato. Lo stesso canale può essere riutilizzato da due stazioni contemporaneamente senza interferenza se e solo se le due stazioni sono sufficientemente lontane. Lo stesso canale può essere riutilizzato da due stazioni contemporaneamente senza interferenza se e solo se le due stazioni sono sufficientemente lontane.

20 Interferenza Adiacente Interferenza da canale adiacente: si verifica quando due utenti siti nella stessa cella o in celle adiacenti utilizzano due canali adiacenti. Interferenza da canale adiacente: si verifica quando due utenti siti nella stessa cella o in celle adiacenti utilizzano due canali adiacenti. I fenomeni di interferenza possono essere così forti che anche canali distinti utilizzati in stazioni vicine possono interferire se i canali sono troppo vicini. I fenomeni di interferenza possono essere così forti che anche canali distinti utilizzati in stazioni vicine possono interferire se i canali sono troppo vicini. Canali assegnati a stazioni vicine devono essere separati da un intervallo che è inversamente proporzionale alla distanza tra le stazioni. Canali assegnati a stazioni vicine devono essere separati da un intervallo che è inversamente proporzionale alla distanza tra le stazioni. Dipende da limitazioni di equipaggiamento dei vari client (p.e. filtri passabanda dei ricevitori non ideali). Dipende da limitazioni di equipaggiamento dei vari client (p.e. filtri passabanda dei ricevitori non ideali).

21 Assegnamento Canali Allocare canali radio ad una base station (e quindi ad una cella) in modo da ottenere: Allocare canali radio ad una base station (e quindi ad una cella) in modo da ottenere: Utilizzo efficiente dello spettro di frequenze a disposizione.Utilizzo efficiente dello spettro di frequenze a disposizione. Ridurre al minimo le interferenze.Ridurre al minimo le interferenze. Buona qualità del servizio.Buona qualità del servizio. Problema NP-Completo per topologie di rete generiche (e quindi grafi generici). Problema NP-Completo per topologie di rete generiche (e quindi grafi generici).

22 Classificazione Algoritmi (1/2) FCA (Fixed Channel Assignment) FCA (Fixed Channel Assignment) Assegnamento statico, cioè effettuato una volta per tutte in base ad una stima delle richieste di connessioni simultanee per ciascuna stazione.Assegnamento statico, cioè effettuato una volta per tutte in base ad una stima delle richieste di connessioni simultanee per ciascuna stazione. DCA (Dynamic Channel Assignment) DCA (Dynamic Channel Assignment) Assegnamento dinamico, cioè effettuato in linea all'atto della effettiva necessità di utilizzare un canale libero per una comunicazione.Assegnamento dinamico, cioè effettuato in linea all'atto della effettiva necessità di utilizzare un canale libero per una comunicazione.

23 Classificazione Algoritmi (2/2) HCA (Hybrid Channel Assignment) HCA (Hybrid Channel Assignment) Assegnamento misto, dove un sottoinsieme di canali per ciascuna stazione è assegnato in modo statico ed il resto in modo dinamico, eventualmente prendendo a prestito da una stazione vicina un canale momentaneamente non utilizzato.Assegnamento misto, dove un sottoinsieme di canali per ciascuna stazione è assegnato in modo statico ed il resto in modo dinamico, eventualmente prendendo a prestito da una stazione vicina un canale momentaneamente non utilizzato.

24 FCA (1/2) FCA ha il vantaggio di non richiedere alti costi computazionali al momento dellassegnazione della frequenza. FCA ha il vantaggio di non richiedere alti costi computazionali al momento dellassegnazione della frequenza. Gode di performance migliori rispetto a DCA ed HCA, soprattutto in situazioni di traffico elevato ed uniforme. Gode di performance migliori rispetto a DCA ed HCA, soprattutto in situazioni di traffico elevato ed uniforme. E spesso usato nella pratica (reti cellulari di 1° e 2° generazione). E spesso usato nella pratica (reti cellulari di 1° e 2° generazione). Il problema FCA rappresenta comunque un bound ai problemi DCA ed HCA. Il problema FCA rappresenta comunque un bound ai problemi DCA ed HCA.

25 FCA (2/2) FCA è in genere testato con opportune istanze di benchmark. FCA è in genere testato con opportune istanze di benchmark. Usualmente è utilizzato il benchmark Philadelphia: Usualmente è utilizzato il benchmark Philadelphia: 21 esagoni che denotano le celle della rete cellulare.21 esagoni che denotano le celle della rete cellulare. I trasmettitori sono localizzati al centro della cella.I trasmettitori sono localizzati al centro della cella. La distanza tra celle adiacenti è sempre fissa e considerata 1.La distanza tra celle adiacenti è sempre fissa e considerata 1.

26 Modello matematico Un sistema cellulare è rappresentato come un grafo dove: Un sistema cellulare è rappresentato come un grafo dove: I nodi rappresentano le base-station.I nodi rappresentano le base-station. Gli archi collegano due base-station che hanno unintersezione nella loro area di copertura.Gli archi collegano due base-station che hanno unintersezione nella loro area di copertura.

27 Distanza di riuso del canale (1/2) La distanza tra due nodi è il minimo numero di archi da attraversare per andare da un nodo allaltro. La distanza tra due nodi è il minimo numero di archi da attraversare per andare da un nodo allaltro. Leliminazione delle interferenze cochannel è modellata introducendo il vincolo della distanza di riuso del canale (σ); ovvero un canale può essere utilizzato contemporaneamente in due nodi se e solo se tali nodi si trovano a distanza maggiore o uguale di σ. Leliminazione delle interferenze cochannel è modellata introducendo il vincolo della distanza di riuso del canale (σ); ovvero un canale può essere utilizzato contemporaneamente in due nodi se e solo se tali nodi si trovano a distanza maggiore o uguale di σ.

28 Distanza di riuso del canale (2/2) Distanza di riuso σ=2.

29 Vettore di separazione dei canali (1/2) Leliminazione delle interferenze cosite e adjacent è modellata introducendo il vettore di separazione dei canali (δ 1, δ 2,…,δ i,…,δ σ-1 ). Leliminazione delle interferenze cosite e adjacent è modellata introducendo il vettore di separazione dei canali (δ 1, δ 2,…,δ i,…,δ σ-1 ). Tale vettore rappresenta il gap (contato in numero di canali) che deve separare due canali assegnati a nodi distanti i. Tale vettore rappresenta il gap (contato in numero di canali) che deve separare due canali assegnati a nodi distanti i.

30 Vettore di separazione dei canali (2/2) SPETTRO DI FREQUENZE

31 CAPS (Channel Assignment Problem with Separation) I canali radio possono essere modellati come colori (interi non negativi). I canali radio possono essere modellati come colori (interi non negativi). CAPS può essere definito come il problema di trovare una L(δ 1, δ 2,…,δ σ-1 )-colorazione del grafo che modella la rete. CAPS può essere definito come il problema di trovare una L(δ 1, δ 2,…,δ σ-1 )-colorazione del grafo che modella la rete.

32 Colorazione grafi Una L(δ 1, δ 2,…,δ σ-1 )-colorazione di un grafo G=(V,E) è una funzione f:VΛ dove Λ={0,…,λ} è un insieme di colori ed f verifica il vincolo: Una L(δ 1, δ 2,…,δ σ-1 )-colorazione di un grafo G=(V,E) è una funzione f:VΛ dove Λ={0,…,λ} è un insieme di colori ed f verifica il vincolo: |f(u)-f(v)| δ i se d(u,v)=i per i=1,…,σ- 1 Una colorazione ottimale di questo tipo è data da una funzione f che minimizzi il valore λ, e quindi il numero di colori (canali) richiesti (λ+1). Una colorazione ottimale di questo tipo è data da una funzione f che minimizzi il valore λ, e quindi il numero di colori (canali) richiesti (λ+1).

33 Limitazioni al numero di colori Escludendo il vincolo della separazione dei canali il problema si riduce a L(1,…,1). Escludendo il vincolo della separazione dei canali il problema si riduce a L(1,…,1). Un limite inferiore per L(1,…,1) lo è anche per L(δ 1,…,δ σ-1 ). Un limite inferiore per L(1,…,1) lo è anche per L(δ 1,…,δ σ-1 ). L(1,…,1) per il grafo G n può essere ridotto al classico problema di colorazione dei grafi (L(1)) per il grafo (aumentato) G n,σ. L(1,…,1) per il grafo G n può essere ridotto al classico problema di colorazione dei grafi (L(1)) per il grafo (aumentato) G n,σ.

34 Il grafo G n,σ G n,σ =(V,E) è ottenuto da G n =(V,E) aggiungendo un arco per ogni coppia di vertici a distanza minore di σ (ovvero {u,v}E d(u,v)σ-1 in G n ). G n,σ =(V,E) è ottenuto da G n =(V,E) aggiungendo un arco per ogni coppia di vertici a distanza minore di σ (ovvero {u,v}E d(u,v)σ-1 in G n ). σ = 3

35 Limitazioni al numero di colori Per colorare G n,σ occorre un numero di colori almeno pari alla dimensione della massima cricca di G n,σ. Per colorare G n,σ occorre un numero di colori almeno pari alla dimensione della massima cricca di G n,σ. Una cricca è un sottoinsieme di vertici del grafo totalmente connessi (proprio per questo servono colori diversi). Una cricca è un sottoinsieme di vertici del grafo totalmente connessi (proprio per questo servono colori diversi). La dimensione di una cricca è data dal numero di vertici che la compongono. La dimensione di una cricca è data dal numero di vertici che la compongono.

36 Cenni sulla complessità CAPS è NP-Completo per grafi generici. CAPS è NP-Completo per grafi generici. Infatti, già L(2,1) è intrattabile. Infatti, già L(2,1) è intrattabile. Esistono, comunque, efficienti algoritmi per colorazioni ottimali da applicare a specifiche topologie di grafi. Esistono, comunque, efficienti algoritmi per colorazioni ottimali da applicare a specifiche topologie di grafi.

37 Topologia cellulare (o esagonale) Utilizzata nella pratica perché copre lintero piano euclideo minimizzando il numero di base-station necessarie. Utilizzata nella pratica perché copre lintero piano euclideo minimizzando il numero di base-station necessarie.

38 Algoritmo per L(2,1,1)-colorazione per griglie cellulari (1/3) Algoritmo ottimale per griglie cellulari di dimensione r x c con r4 e c4. Algoritmo ottimale per griglie cellulari di dimensione r x c con r4 e c4. Lemma: Esiste una colorazione ottimale solo se λ11 (perché in tali grafi la massima cricca ha dimensione 12). Lemma: Esiste una colorazione ottimale solo se λ11 (perché in tali grafi la massima cricca ha dimensione 12).

39 Algoritmo per L(2,1,1)-colorazione per griglie cellulari (2/3)

40 Algoritmo per L(2,1,1)-colorazione per griglie cellulari (3/3)

41 Complessità Lalgoritmo opera in tempo costante O(1) se ogni stazione (vertice) conosce la propria posizione logica allinterno del grafo. Lalgoritmo opera in tempo costante O(1) se ogni stazione (vertice) conosce la propria posizione logica allinterno del grafo. Se così non fosse basterebbe dotare ogni stazione di un sistema GPS cosicché conosca la propria posizione assoluta e far girare poi un semplice algoritmo distribuito e polinomiale. Se così non fosse basterebbe dotare ogni stazione di un sistema GPS cosicché conosca la propria posizione assoluta e far girare poi un semplice algoritmo distribuito e polinomiale.

42 Position Discovering su griglia cellulare (1/2) La computazione inizia dal nodo in alto a sinistra che è lunico che conosce la sua posizione logica (0,0). La computazione inizia dal nodo in alto a sinistra che è lunico che conosce la sua posizione logica (0,0). Viene inviato un messaggio di controllo del tipo CM(v,g v,i,j) dove g v è la posizione geografica di v ed i,j è la posizione logica. Viene inviato un messaggio di controllo del tipo CM(v,g v,i,j) dove g v è la posizione geografica di v ed i,j è la posizione logica. Quando un vertice u riceve il messaggio confronta la sua posizione geografica con g v e calcola la sua posizione logica inviando poi lui stesso un messaggio. Quando un vertice u riceve il messaggio confronta la sua posizione geografica con g v e calcola la sua posizione logica inviando poi lui stesso un messaggio.

43 Position Discovering su griglia cellulare (2/2) (0,0) (1,0) (0,1) (1,1) (0,2) (1,2) (2,0) (2,1) (2,2) (3,0)(3,1) (3,2)(3,3) (0,3) (1,3) (2,3) Tempo: O(max(r,c)) Numero Messaggi Scambiati: O(rc)

44 Perchè non si usano Frequenze Guardia (1/2) SPETTRO DI FREQUENZE

45 Perchè non si usano Frequenze Guardia (2/2) Nei vari algoritmi FCA per grafi regolari (incluso quello visto) non occorrono canali extra per evitare linterferenza dovuta a frequenze adiacenti. Nei vari algoritmi FCA per grafi regolari (incluso quello visto) non occorrono canali extra per evitare linterferenza dovuta a frequenze adiacenti. Banda per frequenze guardia: Banda per frequenze guardia: W guard =(λ+1)β+λγ Banda per separazione dei canali: Banda per separazione dei canali: W separation =(λ+1)β λ = λ W separation <W guard λ = λ W separation <W guard

F I N E