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) Dott.ssa Chiara Petrioli a.a 2007/2008 Si ringraziano per questo materiale Il Prof. Antonio Capone, Politecnico di Milano e il Prof. Giuseppe Bianchi, Universita’ di Tor Vergata

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

Il docente Dott.ssa Chiara Petrioli Ufficio: Dip. di Informatica Via Salaria 113 3° piano stanza 311 Tel: 06 4991 8354 E-mail: petrioli@di.uniroma1.it Web page: http://reti.dsi.uniroma1.it/eng/petrioli/chiara-petrioli.html Web page del corso: http://twiki.di.uniroma1.it , laurea specialistica, reti avanzate(sara’ aggiornata a mano a mano) Orario di ricevimento: Mercoledì 13.00-14.30

Scopo del corso—Reti Avanzate Fornirvi conoscenze sulla tecnologia ed i protocolli utilizzati nelle Reti Wireless 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

Scenario di riferimento ad oggi WIMAX Ambient intelligence Wimax= worldwide interoperability of microwave access AGGIUNGERE WIMAX E AMBIENT INTELLIGENCE L’accesso e’ anche verso la PSTN (Publici Switched Telephone Network) ovvero verso la rete telefonica tradizionale

Scenario di riferimento ad oggi-RA WIMAX -Introduzione alle reti radiomobili -sistemi cellulari di seconda e terza generazione -Come pianificare un sistema cellulare Ambient intelligence Wimax= worldwide interoperability of microwave access AGGIUNGERE WIMAX E AMBIENT INTELLIGENCE L’accesso e’ anche verso la PSTN (Publici Switched Telephone Network) ovvero verso la rete telefonica tradizionale

Scenario di riferimento ad oggi-Reti Avanzate WIMAX Ambient intelligence -802.11 Estensione delle reti cellulari: Reti Ad Hoc TCP over wireless -Sicurezza delle reti radio: problematiche e soluzioni Wimax= worldwide interoperability of microwave access AGGIUNGERE WIMAX E AMBIENT INTELLIGENCE L’accesso e’ anche verso la PSTN (Publici Switched Telephone Network) ovvero verso la rete telefonica tradizionale

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) Wimax= worldwide interoperability of microwave access AGGIUNGERE WIMAX E AMBIENT INTELLIGENCE L’accesso e’ anche verso la PSTN (Publici Switched Telephone Network) ovvero verso la rete telefonica tradizionale

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

Scenari emergenti– sistemi embedded Esempi di segmenti di mercato Personal Health Pervasive and ubiquitous computing Protezione delle infrastrutture critiche Automazione industriale & logistica Trasporti (automotive, avionics,…) Monitoraggio ambientale e gestione dei rischi ambientali 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, …

Scenari emergenti– sistemi embedded Esempi di segmenti di mercato Personal Health Pervasive and ubiquitous computing Protezione delle infrastrutture critiche Automazione industriale & logistica Trasporti (automotive, avionics,…) Monitoraggio ambientale e gestione dei rischi ambientali Competenze per inserirsi a pieno in questo settore emergente: informatiche (reti)+ elettronica+ teoria dei controlli+ middleware In informatica, con il termine sistema embedded (sistema incapsulato) si identificano genericamente dei sistemi elettronici a microprocessore progettati appositamente per una determinata applicazione, spesso con una piattaforma hardware ad hoc, integrati nel sistema che controllano e in grado di gestirne tutte o parte delle funzionalità. In questa area si collocano sistemi di svariate tipologie e dimensioni, in relazione al tipo di microprocessore, al sistema operativo, ed alla complessità del software che può variare da poche centinaia di byte a parecchi megabyte di codice. Contrariamente ai computer generici, un sistema embedded ha dei compiti conosciuti già durante lo sviluppo, che eseguirà dunque grazie ad una combinazione hardware/software specificamente studiata per la tale applicazione. Grazie a ciò l'hardware può essere ridotto ai minimi termini e ridurne lo spazio occupato, i consumi ed il costo di fabbricazione. Inoltre l'esecuzione del software é spesso in tempo reale (real-time), per permettere un controllo deterministico dei tempi di esecuzione. Buona notizia: tutte queste ditte vedono la differenza tra un laureato triennale e specialistico Buona notizia 2: concrete possibilità di specializzarvi in questo settore Esempi di ditte molto attive: Philips, IBM, Varie Telecom, Nokia, Siemens, Ericsson, Finmeccanica, EADS, Thales, Ditte automobilistiche, INGV, protezione civile, …

Laboratorio interdipartimentale

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 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 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 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

Embedded Systems—testing infrastructure

Embedded Systems—testing infrastructure Possibilità di attività complementari all’interno del laboratorio Borse di studio per attività all’interno del laboratorio e/o per contribuire alla realizzazione del test-bed (prox mesi)

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

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

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

Penetrazione dell’accesso wireless e dell’accesso a Internet Telefoni cellulari: circa 2 miliardi Connessione a Internet: circa 1 miliardo di persone Wireless Internet No. America 70% 70% Europe 75% 40% Asia 18% 9% WORLDWIDE 30% 15% Riferimenti: a) GSM Association b) CDMA Development Group c) Internetworldstats.com Da: Keynote speech Dr. Andrew Viterbi, ACM MobiCom 2006

Argomenti trattati in RA WIMAX Ambient intelligence Wimax= worldwide interoperability of microwave access AGGIUNGERE WIMAX E AMBIENT INTELLIGENCE L’accesso e’ anche verso la PSTN (Publici Switched Telephone Network) ovvero verso la rete telefonica tradizionale

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

Architettura di una rete radio (rete cellulare) rete di trasporto wired rete d’accesso wireless

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

Motivazioni dei sistemi cellulari/delle reti radio 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 ….) Il mercato ha avuto un forte sviluppo negli anni ‘80 e la domanda è ancora in rapida ascesa. Rete fissa

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

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”

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

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

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

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

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

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)

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

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

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

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

Rete telefonica – Rete cellulare Cosa c’è di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia (mobile)? Errori frequenti nella trasmissione Attenuazione, riflessione, rifrazione,diffrazione del segnale multipath fading Interferenze 100110 vedremo piu’ avanti pacchetto ricevuto Canale Radio 100100 pacchetto trasmesso

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

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

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

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

The radio spectrum

The radio spectrum

Problemi nella propagazione del segnale Line of sight Reflection Shadowing Riflessione> quando il segnale ha una lunghezza d-onda MINORE dell-ostacolo

Problemi nella propagazione del segnale 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

Attenuation phenomena for millimeter waves (EHF)

Spectrum allocation

Attenuazione del segnale Signal power Distance BS  MS

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

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

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

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

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

Canale wireless : attenuazione da distanza Indicando con gT il guadagno massimo abbiamo che la densità di potenza in tale direzione risulta: Il prodotto PT gT 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

Canale wireless : attenuazione da distanza La potenza al ricevitore può essere espressa come: 1 L dove PT rappresenta la potenza irradiata dal trasmettitore, gT e gR i guadagni delle antenne del trasmettitore e ricevitore, l la lunghezza d’onda (c/f) e d la distanza tra trasmettitore e ricevitore. L>1 tiene conto degli HW losses.

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

Programma e materiale didattico Programma del corso 802.11 (standard, dispense, materiale fornito durante il corso) Reti Ad Hoc 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 Dr. Testo: articoli forniti dal docente e disponibili sul web/scaricabili dalle digital libraries a cui ‘La Sapienza’ e’ abbonata

Programma e materiale didattico Sistemi wireless Programma del corso Valutazione delle prestazioni (Prof. Lo Presti) Ambient Intelligence: Reti di sensori. Reti di sensori terrestri e sottomarine Personal Area Networks (Bluetooth, IEEE 802.15.x, Wimedia) WiMax (seminario Dott. Vitaletti) WiFi e Mesh networks (Prof.ssa Tinnirello) TCP in reti wireless (Prof. Lo Presti, Chiara Petrioli) Implementazione in dispositivi embedded (in laboratorio, Dott. Mastrogiovanni, Dott. Nati) Testo: articoli forniti dal docente, lucidi del docente Dr.

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

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

FINE PRIMA LEZIONE

Power units - decibel Decibel (dB): modo di rappresentare in maniera logaritmica i rapporti tra le potenza Logaritmo in base 10 PA = 1 Watt PB = 1 milliWatt 30 dB PA = tre ordini di grandezza piu’ grande di PB ad esempio il guadagno dell’antenna e’ espresso in dB

Decibels - dBm dBm = rapportato ad una potenza di 1mW Potenza in dBm = 10 log(potenza/1mW) Potenza in dBW = 10 log(potenza/1W) Esempio 10 mW = 10 log10(0.01/0.001) = 10 dBm 10 mW = 10 log10(0.00001/0.001) = -20 dBm S/N ratio = -3dB  S = circa 1/2 N Properties & conversions dBm = 10 log10(P (W) / 1 mW) = P (dBW) + 30 dBm (P1 * P2) (dBm) = P1 (dBm) + P2 (dBW) P1 * P2 (dBm) = 10 log10(P1*P2 (W)/0.001) = 10log10(P1/0.001) + 10 log10P2 = P1 (dBm) + P2 (dBW)

Example

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

Canale wireless : attenuazione da distanza La rappresenta l’attenuazione da spazio libero. Tale attenuazione non è l’unica che subisce il segnale ma anche altre attenuazioni possono essere presenti a causa dell’atmosfera (dipendente dalla frequenza e da nebbia, pioggia, ecc.) e di ostacoli (assorbimento, riflessione, diffrazione, ecc.) E’ la loss nel caso in cui i gain siano ad uno e L ad uno

Canale wireless : attenuazione da distanza La rappresenta l’attenuazione da spazio libero. Tale attenuazione non è l’unica che subisce il segnale ma anche altre attenuazioni possono essere presenti a causa dell’atmosfera (dipendente dalla frequenza e da nebbia, pioggia, ecc.) e di ostacoli (assorbimento, riflessione, diffrazione, ecc.) E’ la loss nel caso in cui i gain siano ad uno e L ad uno

Canale wireless : attenuazione da distanza La rappresenta l’attenuazione da spazio libero. Tale attenuazione non è l’unica che subisce il segnale ma anche altre attenuazioni possono essere presenti a causa dell’atmosfera (dipendente dalla frequenza e da nebbia, pioggia, ecc.) e di ostacoli (assorbimento, riflessione, diffrazione, ecc.) E’ la loss nel caso in cui i gain siano ad uno e L ad uno

Path loss (propagation loss) in dB Indicata anche con Lfree nel seguito

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

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

Alcune elaborazioni sulla formula dell’attenuazione Se si conosce il valore ad una distanza di riferimento PR(d) = PR(dref) (dref/d)2 PR(d) dBm= PR(dref)dBm +20 log 10 (dref/d) Lfree e’ il rapporto tra potenza trasmessa e ricevuta

Alcune elaborazioni sulla formula dell’attenuazione Loss sperimentata da un segnale tx sulla frequenza f a distanza d nella condizione di un terreno piatto senza ostacoli L=1 Se si conosce il valore ad una distanza di riferimento PR(d) = PR(dref) (dref/d)2 PR(d) dBm= PR(dref)dBm +20 log 10 (dref/d) Lfree e’ il rapporto tra potenza trasmessa e ricevuta Lfree= -20 log10 dB c/f 4pd ( ) Lfree= -147.56+20log10(f)+20log10(d)

Canale wireless : attenuazione da distanza La potenza al ricevitore nel caso di propagazione in spazio libero può essere espressa come: 1 L dove PT rappresenta la potenza irradiata dal trasmettitore, gT e gR i guadagni delle antenne del trasmettitore e ricevitore, l la lunghezza d’onda (c/f) e d la distanza tra trasmettitore e ricevitore. L>1 tiene conto degli HW losses.

Canale wireless : attenuazione da distanza Si può far vedere che nel semplice caso di propagazione con due raggi, uno diretto ed uno riflesso completamente... d h1 h2 ...il rapporto tra potenza ricevuta e potenza trasmessa assume la forma:

Canale wireless : attenuazione da distanza Nell’ipotesi della propagazione per due raggi la potenza ricevuta decresce, a causa dell’attenuazione dovuta alla distanza, molto più velocemente (~1/d4) che nel caso di propagazione in spazio libero (~1/d2) In realtà la propagazione tipica dei sistemi wireless è spesso diversa e più complessa di questi due casi Nonostante ciò di solito si utilizza una formula simile anche nel caso generale dove però l’esponente di della distanza (coefficiente di propagazione ) può assumere valori compresi tra 2 (spazio libero) e 5 (forte attenuazione ambiente urbano):

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

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

Extended formula

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

Okumura-Hata model Hata (1980): very simple model to fit Okumura results Provide formulas to evaluate path loss versus distance for various scenarios Large cities; Small and medium cities; Rural areas Limit: d>=1km Parameters: f = carrier frequency (MHz) d = distance BS  MS (Km) hbs = (effective) heigh of base station antenna (m) hms = height of mobile antenna (m) Effective BS Antenna height Cosa succede se d<1Km? Esistono altri modelli piu’ recenti Har, Via and Bertoni proposti a fine anni 90 che consentono di avere modelli empirici per lo short range. Ora il punto e’ che sono piu’ complessi e prevedono parametri sull’orientamento delle strade, la distanza dell’MU dal roof piu’ vicino, la difefrenza tra l’altezza media del Roof piu’ vicino e quelal emdai degli edifici piu’ i parametri qui considerati

Okumura-Hata: urban area a(hms) = 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)

Okumura-Hata: urban area Lfree= 32.44+20log10(f)+20log10(d) a(hms) = 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)

Okumura-Hata: suburban & rural areas Start from path loss Lp computed for small and medium cities

Okumura-Hata: examples Qui dire che da qui si puo’ stimare l’eta che viene tra 2 e 4 con questo modello F=900MHz, hbs=80m, hms=3m

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

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

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

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

Slow fading – fast fading Se c’e’ una componente LOS Signal power Fast fading: Rayleight or Rician distributed Distance BS  MS (m) Distance BS  MS (km) slow fading: lognormal distributed

Rayleight fading

Rayleight fading

Rayleight fading

Considerazioni sul fading

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

Esempio (prossima slide…)

Esempio Possibilità di interferenza intersimbolica !!

Impulse response

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

Canale wireless : fading multipath L’inverso del delay spread fornisce la banda di coerenza Se la banda di coerenza è molto maggiore della banda del segnale il delay spread non pone problemi 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 In questo caso per ovviare alla distorsione in frequenza del canale occorre equalizzare con un opportuno filtro adattativo in ricezione In realta’ 1 su cinque volte il delay spread

FINE SECONDA LEZIONE

Consumo energetico

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

Consumo energetico dell’interfaccia radio Il transceiver puo’ essere in uno di questi stati Awake and transmitting tx Awake and receiving rx Awake, neither transmitting nor receiving idle asleep 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)

Protocolli a basso consumo energetico per l’interfaccia radio 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 all’altro) MANTENENDO buone prestazioni rispetto alle metriche classiche (troughput, ritardo,...) Criteri generali: Evitare di trasmettere/ricevere informazioni ridondanti/non necessarie o evitare di tx quando c’e’ una probabilita’ elevata che il pacchetto vada perso Attenzione alla ricezione: costa e non e’ predicibile quando dovro’ ricevere alternanza stati di awake/alseep minimizzazione del consumo energetico legato alla Trasmissione di informazione

Protocolli a basso consumo energetico per l’interfaccia radio. Esempi: Evitare di trasmettere/ricevere informazioni ridondanti/non necessarie o evitare di tx quando c’e’ una probabilita’ elevata che il pacchetto vada perso Esempi: compressione dell’header 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 Anche DATA FUZION IN QUESTO CONTETSO CADE BENE

Protocolli a basso consumo energetico per l’interfaccia radio. Esempi: minimizzazione del consumo energetico legato alla trasmissione di informazione 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 dell’interfaccia radio per motivare queste affermazioni...

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

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

Protocolli a basso consumo energetico per l’interfaccia radio. Esempi: minimizzazione del consumo energetico legato alla trasmissione di informazione 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?

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

Protocolli a basso consumo energetico per l’interfaccia radio MAC:collisioni = sprechi energetici Data link: FEC/ARQ ? Routing: istradamento a basso consumo energetico ...... Necessita’ di tener conto del consumo energetico in tutti gli strati protocollari Cosa manca? -spostare slide su definizioni tipo full duplex etc -chiarirsi discorso della codifica voce -chiarirsi come si fa a sentire su canali comuni tutte le base station vicine e come vengono effettuate le mnisure

Accesso Radio Condiviso

Accesso radio condiviso Per far comunicare stazione radio base e stazioni mobili i sistemi cellulari usano la banda radio assegnata dalle autorità responsabili 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 La divisione della risorsa radio porta alla creazione di canali radio fisici 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) Lo stesso avviene per il servizio dati a circuito Nel caso di servizio dati a pacchetto i canali possono essere condivisi dinamicamente (canale di traffico condiviso) Altri canali, come vedremo, servono per scopi di servizio (canali di controllo e segnalazione)

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

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

Accesso radio condiviso: Accesso Multiplo canale 1 canale 2 canale 3 Tecnica con la quale da un unico canale broadcast se ne possono ricavare altri di tipo punto-punto Le stazioni trasmittenti possono essere molteplici (problema di coordinamento) Problema tipico della tratta uplink (reverse link) di sistemi cellulari (dai terminali d’utente alle stazioni base) Necessita’ di protocolli di MAC (esempio:FDMA/TDMA) Nota che è necessaria anche una tecnica per la divisione tra canali uplink e canali downlink (tecnica di duplexing) vedi corso di Reti 1

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

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

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

Teoria del traffico: il traffico istantaneo Il “traffico” istantaneo in t è il numero di chiamate (messaggi, pacchetti, …) a(t) in corso al tempo t T2 t a(t)=2 t a(t) 2 1 t vedi parte del corso su valutazione delle prestazioni

Teoria del traffico: Risultati sul traffico A(T) = 1/T a(t) dt òT Il traffico medio in T è a(t) X2 X1 X3 t T òT Risulta a(t) dt = Si Xi in T

Teoria del traffico: Risultati sul traffico a(t) dt Si Xi n A(T) = = T n T Traffico medio in T X l l frequenza media dell’arrivo delle chiamate (call/s) X durata media dei messaggi (s) A(T) = l(T) X(T)

Teoria del traffico: Risultati sul traffico Nel caso in cui le trasmissioni non possono sovrapporsi X1 X2 t òT a(t) dt Si Xi A(T) = = T T è la frazione di tempo in cui le trasmissioni sono attive In realtà il “traffico” istantaneo a(t) è un processo casuale

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

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

Teoria del traffico: Il processo di Poisson E’ il processo casuale più semplice che descrive l’occorrenza di punti (es. arrivo di chiamate) casuali sull’asse temporale descrizione: N(t,t+t) numero di punti nell’intervallo [t,t+t] N(0,t) t N(t,t+t)

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

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

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

Teoria del traffico: Sistema a pura perdita Per modellare l’arrivo 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 Si mostra che, nell’ipotesi di arrivi di Poisson, la probabilità di rifiuto di una chiamata è data dalla formula B di Erlang: CHIEDERE A FRANCESCO DI DIMOSTRARE LA B di Erlang dove A=lT (in Erlang), l frequenza media degli arrivi (call/s), T durata media delle chiamate NOTA: vale per qualunque distrib. della durate delle chiamate

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

Teoria del traffico: Probabilità di blocco Verficare che le varie curve siano il numero di canali

Teoria del traffico: Probabilità di blocco Verficare che le varie curve siano il numero di canali Al crescere del carico offerto (Erlang) cresce la probabilità di blocco

Teoria del traffico: Probabilità di blocco Verficare che le varie curve siano il numero di canali Data una probabilità di blocco desiderata , più alto il numero di canali, più elevato il traffico offerto che può essere sostenuto

Teoria del traffico: Probabilità di blocco Verficare che le varie curve siano il numero di canali Data una probabilità di blocco desiderata e dato un traffico atteso (target di utenti) quale è il numero minimo di canali necessario?

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

802.11 Distributed Coordination Function Basato sul CSMA/CA Prima di trasmettere un frame una stazione fa il sensing del canale Se il canale e’ libero per un intervallo superiore al Distributed InterFrame Space (DIFS) la stazione trasmette Altrimenti (canale gia’ occupato) si aspetta la fine della trasmissione corrente + un intervallo casuale detto backoff timer. 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’? La stazione trasmette quando il backoff timer raggiunge il valore zero. Il valore del backoff timer e’ scelto casualmente all’interno di una finestra di CW slots. Al primo tentativo CW e’ settato al valore minimo previsto da standard settato a 16. 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<DIFS Nel caso di collisione si aspetta un tempo random e si prova a ritrasmettere  backoff esponenziale (CW viene raddoppiata ad ogni ritrasmissione fino ad un massimo di 1024 slots) Quanto e’ uno slot?

802.11 Distributed Coordination Function

Effetto dell’RTS e CTS RTS CTS

802.11 Distributed Coordination Function Virtual carrier sensing

FINE TERZA LEZIONE

Allocazione delle frequenze: organizzazione a celle

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

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

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

Cellular system architecture 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 f4 f5 f6 f3 f1 f2 f7 MSC 1 MSC 2 Wired network BS = Base Station MSC = Mobile Switching Centre PSTN = Public Switching Telephone Network

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

hexagonal cells A D B C B A D A C A B C D C B A A B C D B A D A B C D Good approximation for circle Ideal coverage pattern no “holes” no cell superposition A D B C B A D A C A B C D C B A A B C D B A D A B C D C D B Example case: Reuse pattern = 4

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

Lecture 2.2 Clusters and CCI PART 2 Cellular Coverage Concepts (piu’ in dettaglio sull’organizzazione di un sistema cellulare) Lecture 2.2 Clusters and CCI

Reuse patterns Reuse distance: Key concept 1 3 4 5 6 7 2 D R Cluster: K = 7 Reuse distance: Key concept 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 Simplified hexagonal cells model: reuse distance depends on reuse pattern (cluster size) Possible clusters: 3,4,7,9,12,13,16,19,… 1 2 3 4 D K = 4

Dim. dei cluster di celle 2 1 1 1 3 3 2 2 D 2 2 1 1 1 1 1 3 3 3 3 2 2 2 K=3

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

Dimensione dei cluster K=7

Reuse distance General formula Valid for hexagonal geometry D = reuse distance R = cell radius K=cluster size q = D/R =frequency reuse factor Ragionare su fattore di riuso e su formula generale

Proof v u 30° Distance between two cell centers: (u1,v1)  (u2,v2) (1,1) (3,2) Distance between two cell centers: (u1,v1)  (u2,v2) Simplifies to: Distance of cell (i,j) from (0,0): Cluster: easy to see that hence: Sin 30 gradi =1/2 Cos 30 gradi = radice di tre/2

Proof v u 30° Distance between two cell centers: (u1,v1)  (u2,v2) (1,1) (3,2) Distance between two cell centers: (u1,v1)  (u2,v2) Simplifies to: Distance of cell (i,j) from (0,0): Cluster: easy to see that hence: Sin 30 gradi =1/2 Cos 30 gradi = radice di tre/2

Proof v u 30° Distance between two cell centers: (u1,v1)  (u2,v2) (1,1) (3,2) Distance between two cell centers: (u1,v1)  (u2,v2) Simplifies to: Distance of cell (i,j) from (0,0): Cluster: easy to see that hence: Sin 30 gradi =1/2 Cos 30 gradi = radice di tre/2

Proof v u 30° Distance between two cell centers: (u1,v1)  (u2,v2) (1,1) (3,2) Distance between two cell centers: (u1,v1)  (u2,v2) Simplifies to: Distance of cell (i,j) from (0,0): Cluster: easy to see that hence: Sin 30 gradi =1/2 Cos 30 gradi = radice di tre/2

Proof Distance between two cell centers: (u1,v1)  (u2,v2) Simplifies to: Distance of cell (i,j) from (0,0): Cluster: easy to see that 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! Sin 30 gradi =1/2 Cos 30 gradi = radice di tre/2

Proof v u 30° Distance between two cell centers: (u1,v1)  (u2,v2) Simplifies to: Distance of cell (i,j) from (0,0): Cluster: easy to see that hence: 30° v u (1,1) (3,2) Sin 30 gradi =1/2 Cos 30 gradi = radice di tre/2

Proof Se considero una cella che usa un determinato gruppo di frequenze A dato che voglio ricoprire l’area con cluster i centri delle celle intereferenti saranno a distanza D Posso approssimare l’area di ciascun cluster con l’area di un esagono il cui raggio e’ dato da K=7 AGGIUNGERE FIG 4.7 D

Proof L’area occupata da un cluster Acluster e’ quindi data da: Quanti esagoni di area possono stare in un’area pari a ? Risposta:

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

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

Co-Channel Interference B A D E F G Frequency reuse implies that remote cells interfere with tagged one Co-Channel Interference (CCI) sum of interference from remote cells S/I Signal to co-channel interference ratio

CCI Computation - assumptions NI=6 interfering cells NI=6: first ring interferers only we neglect second-ring interferers Negligible Noise NS S/N ~ S/I d-h propagation law h=4 (in general) Same parameters for all BSs Same Ptx, antenna gains, etc Key simplification Signal for MS at distance R Signal from BS interferers at distance D R D Power Po Dint Dint ~ D

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

Examples target conditions: S/I=9 dB h=4 Solution: target conditions:

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

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

Multiple Tiers of Interferers approssimazione

Special case of co-channel interference

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

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

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

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

Pianificazione di sistemi cellulari

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

Capacity planning Target: support users with a given Grade Of Service (GOS) 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 Given: C channels Offered load Ao Target GOS Btarget C obtained from numerical inversion of

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

example GOS = 1% maximum blocking. Resulting system dimensioning and efficiency: 40 erl C >= 53 r = 74.9% 60 erl C >= 75 r = 79.3% 80 erl C >= 96 r = 82.6% 100 erl C >= 117 r = 84.6%

Trunking Efficiency

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

Application to cellular networks Meglio con area dell’ esagono ! Qui dire perche’ e’ sbagliato sul libro Approssimazione area del cercio anziche’ dell’esagono –sarebbe meglio rifare con area dell’esagono Qui quello che abbiamo visto e’ che sulla base della caratteristica del ricevitore (soglia del S/I ratio ) vengo a sapere quali sono le cluster size ragionevoli (minima cluster size).Numerodi canali da standard, GOS dato dal provider

Other example

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

Sectorization and traffic Assume cluster K=7 Omnidirectional antennas: S/I=18.7 dB 120o sectors: S/I=23.4 dB 60o sectors: S/I=26.4 dB Sectorization yields to better S/I BUT: the price to pay is a much lower trunking efficiency! With 60 channels/cell, GOS=1%, Omni: 60 channels Ao=1x46.95= 46.95 erl r=77.46% 120o: 60/3=20 channels Ao=3x12.03= 36.09erl r=59.54% 60o: 60/6=10 channels Ao=6x4.46= 26.76erl r=44.15%

FINE QUARTA LEZIONE

Gestione della mobilità

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

Gestione della mobilità Nelle reti cellulari gli utenti possono muoversi nell’area del sistema e quindi passare da una cella ad un’altra Questo ovviamente pone problemi di instradamento dell’informazione (o più semplicemente delle chiamate nel caso di servizio voce) 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

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

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

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

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

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

Gestione della mobilità: Paging All’arrivo di una chiamata per l’utente mobile viene consultato il registro Una volta nota la LA viene iniziata una procedura di paging Ogni stazione base della LA invia un messaggio di controllo in broadcast con l’identificativo dell’utente cercato Alla risposta del teminale mobile la rete conosce la cella e instrada la chiamata paging paging Data Base reply

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

Gestione della mobilità: Handover Procedura con cui un terminale mobile in conversazione cambia la stazione base su cui è attestato 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 Si richiedono procedure di Handover efficienti e veloci 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

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

Gestione della mobilità: Handover Quando scatenare un Handover? Esistono diversi metodi 1 - metodo del segnale più forte l’handover avviene nel punto A a causa delle fluttuazioni del segnale sono possibili molti rimbalzi (effetto ping-pong)

Gestione della mobilità: Handover Quando scatenare un Handover? 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 un’altra BS è più forte; l’handover avviene nel punto B

Gestione della mobilità: Handover Quando scatenare un Handover? Esistono diversi metodi 3 - metodo del segnale più forte con isteresi se la potenza dell’altra BS è più forte di un valore  h; l’handover avviene nel punto C HA SENSO QUESTO? NON DOVREBBE ESSERCI ANCHE UNA SOGLIA?

Gestione della mobilità: Prestazioni Handover 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 Definiamo la probabilità di rifiuto di handover (Pdrop) come la probabilità che una richiesta di handover non possa essere soddisfatta e la probabilità di blocco (Pblock) come la probabilità di rifiutare una nuova chiamata Nei sistemi che trattano le richieste di handover come le nuove richieste entranti (call setup) Pdrop=Pblock In realtà è meglio bloccare una chiamata entrante che perderne una attiva Si può tentare di trattare meglio le richieste di handover

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

Gestione della mobilità Altre possibilità Queuing priority scheme Handoff area: area all’interno della quale l’MS 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. 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.

Roaming. HLR VLR PSTN VLR 4 2 MSC MSC 1 LA 3 NY All’arrivo a LA l’utente deve registrarsi con il nuovo VLR Il nuovo VLR informa l’HLR dell’utente della sua nuova posizione. L’HLR invia in risposta un ack con informazioni quali il profilo dell’utente Il nuovo VLR informa l’utente della registrazione con successo L’HLR invia un messaggio di deregistrazione verso il vecchio VLR HLR: Home location register VLR: Visiting location register HLR VLR PSTN VLR 4 2 MSC MSC 1 LA 3 NY

Set up di chiamate. Esempi MStelefono fisso tramite l’VLR dell’MS Telefono fissoMS:tramite il gateway MSC si contatta l’HLR e tramite questo il VLR corrente. IL VLR restituisce l’info sull’MSC da contattare La chiamata viene messa su 1 GMSC 1 1 HLR 2 VLR 2 PSTN VLR 2 MSC MSC 3 LA 3 NY

Gestione della mobilità: Tipologie di Handover Hard Handover (GSM-2G) Soft Handover (UMTS-3G) Presuppone l’abbattimento e l’instaurazione di un nuovo link radio Sfruttando la macrodiversità l’utente è contemporaneamente collegato con più stazioni base

Gestione della mobilità: Handover Ci occuperemo in seguito dell’handover in GMS LETTURA CONSIGLIATA: Trends in handover design Pollini, G.P. IEEE Communications Magazine , Volume: 34 Issue: 3 , March 1996 Page(s): 82 -90

Codifica della voce

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

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

Codifica della voce: Caratteristiche tempo/frequenza Parola: effe

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

Codifica della voce: Waveform codecs nessuna conoscenza a priori di come il segnale sia stato generato informazione necessaria: banda del segnale B (telefonia classica < 4 KHz) massimo rumore di quantizzazione tollerabile 00100001 campionatore A to D b bits per campione alta qualita’, bassa complessita’, basso ritardo (1 campione), robustezza agli errori e al rumore di fondo

Codifica della voce: Waveform codecs nessuna conoscenza a priori di come il segnale sia stato generato informazione necessaria: banda del segnale B (telefonia classica < 4 KHz) massimo rumore di quantizzazione tollerabile 00100001 campionatore A to D b bits per campione alta qualita’, bassa complessita’, basso ritardo (1 campione), robustezza agli errori e al rumore di fondo

Codifica della voce: Pulse Code Modulation (PCM) standardizzato da ITU nel 1960: G.711 si assume B=4 kHz, e la frequenza di campionamento Bc=8 kHz, 8 bit/campione, 64 kb/s due differenti regole di quantizzazione (logaritmica) per America (m-law) e Europa (A-law) regole di conversione standard QUI GROSSA CRISI: COME SI TIENE CONTO DEL DISCORSO DELLE FREQUENZE?

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

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

Codifica della voce: Waveform codecs nessuna conoscenza a priori di come il segnale sia stato generato informazione necessaria: banda del segnale B (telefonia classica < 4 KHz) massimo rumore di quantizzazione tollerabile 00100001 campionatore A to D b bits per campione alta qualita’, bassa complessita’, basso ritardo (1 campione), robustezza agli errori e al rumore di fondo

Codifica della voce: Waveform codecs nessuna conoscenza a priori di come il segnale sia stato generato informazione necessaria: banda del segnale B (telefonia classica < 4 KHz) massimo rumore di quantizzazione tollerabile 00100001 campionatore A to D b bits per campione alta qualita’, bassa complessita’, basso ritardo (1 campione), robustezza agli errori e al rumore di fondo

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

Codifica della voce: Adaptive DPCM (ADPCM) Cordless DECT le prestazioni migliorano se predittore e quantizzatore sono adattativi standardizzato nel 1980 da ITU ADPCM a 32 kbit/s: G.721 successivamente ADPCM a 40, 32, 24, 16 kbit/s: G.726 e G.727 Predittore adattativo Bassa qualità - quant. adattativo camp. Chiarire bene + + 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)

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

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

Codifica della voce: Principali Codifiche Compressione Year Bit rate (kbit/s) Frame size (ms) Look ahead (ms) G.711 PCM 1972 64 0.125 G.726 ADPCM 1990 32 1 G.722 Subband ADPCM 1988 48-64 0.125 1.5 G.728 LD-CELP 1992-94 16 0.625 G.729 CS-ACELP 1995 8 10 5 G.723.1 MP-MLQ 1995 6.3 30 7.5 DOVE INFORMAZIONI SU QUESTI CODIFICATORI??? G.723.1 ACELP 1996 5.3 30 5 RPE-LTP (GSM) 1987 13 20 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”

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

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) Uplink: trasmissione da terminale mobile a base station Downlink: trasmissione da base station a terminale mobile NMT: Northern Mobile Telephone System standard scandinavo, indipendente da AMPS e TACS; bande intorno ai 450 e ai 900 MHz; diffusione: Europa del Nord

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 all’interferenza Maggiore capacità (codifiche voce efficienti) Sicurezza

Cenni storici: 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 1989 Il gruppo GSM viene trasferito come parte dell’ETSI (European Telecommunications Standard Institute) GSM denominato Global System for Mobile communications Vengono creati diversi sottocomitati dell’ETSI che si occupano degli aspetti collegati ai servizi, aspetti aspetti radio, di rete, servizi dati, gestione della rete, sicurezza, codifica vocale GSM 1992 primi sistemi GSM (94 primi servizi dati)

Cenni storici: Seconda Generazione (2G/2G+) Nel ‘92 è stato introdotto GSM in Europa con un successo ed una diffusione enorme (60% del mercato globale) 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) Fine anni ‘90 standardizzazione di reti con accesso a pacchetto (EDGE, GPRS-General Packet Radio Service, HCSCD) Anni 2000 UMTS (Universal Mobile Telecommunication Systems)e CDMA2000 (3G) 3GPP Third Generation Partnership Project (derivato da uno dei comitati tecnici del GSM)

Cenni storici: Digital Cellular Systems World-wide GSM D-AMPS Japan Digital PCS 1900 DCS 1800 CDMA VERIFICAREEEEEEEEE QUESTA FIGURAAAAAA (SE AGGIORNATA) Dati da www.gsmworld.com

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

Fine quinta lezione