Reti Wireless - completo

Appunti Reti Wireless 2007-08

Documento scritto in L

TEX

A

Vincenzo Golia D’Auge’

23 giugno 2008

Questi appunti sono relativi al corso di Reti Wireless tenuto dal Prof.

Paura nell’anno 2007-08, presso l’Università Federico II di Napoli.

I disegni, i grafici e le immagini sono proprietà dei rispettivi autori. Per

qualsiasi violazione del copyright si prega di contattare golia.vincenzo@gmail.com

N.B. Questi appunti non sono esaustivi nè purtroppo comprendono tutto

il corso, ma soltanto i primi otto blocchi di slide e molto probabilmente in

alcune parti potrebbero non essere corretti. Tuttavia si spera che possano

essere un aiuto nello studio di questa materia. Se qualcuno vuol contribuire

ad ampliarli o a modificare le parti non corrette, il sorgente latex è presente

a questo indirizzo: http://s3ldon.netsons.org/content/download

1

Indice

1 LEZIONE 1 - 3/3/08 5

1.1 Definizioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 Convergenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3 WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2 LEZIONE 2 - 6/3/08 16

2.1 Generalità sulle Reti Wireless . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2 Modelli per la perdita di percorso . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.1 Meccanismi di propagazione . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.2 Propagazione in spazio libero . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2.3 Modello con due raggi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2.4 Relazione potenza-distanza . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2.5 Shadow fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.3 Modelli di attenuazione di percorso . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.3.1 Megacelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.3.2 Macrocelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.3.3 Microcellulare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3.4 Picocellulare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.3.5 Femtocellular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3 LEZIONE 3 - 10/3/08 30

3.1 Short-range fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.1.1 Caratterizzazione statistica . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.2 Fading a banda larga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2.1 Approccio statistico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.2.2 Caratterizzazione statistica di T . . . . . . . . . . . . 41

m

3.2.3 Tempo di coerenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.2.4 Banda di coerenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.3 Effetto Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.3.1 Root Mean Square doppler spread . . . . . . . . . . . . 44

3.4 Effetti del multipath e del doppler . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2

INDICE INDICE

4 LEZIONE 4 - 27/3/08 48

4.1 Generalità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.1.1 Efficienza spettrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.1.2 Efficienza in potenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.1.3 Tolleranza al multipath . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.2 Tecniche di modulazione a modulo costante . . . . . . . . . . 49

4.3 Tecniche di trasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.3.1 Tecniche di modulazione ad impulso (Infrared - IR) . . 50

4.3.2 Tecniche di modulazione UWB (Ultra Wide Band) . . 52

4.3.3 La tecnica Spread Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.3.4 Frequency-Hopping Spread-Spectrum (FHSS) . . . . . 55

5 Lezione 5 - 3/4/08 60

5.1 DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum) . . . . . . . . . . . 60

6 LEZIONE 6 - 7/4/08 66

6.1 Modulazione CCK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

6.1.1 Esempio: 802.11b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

6.2 OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.2.1 Trasmissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

6.2.2 Ricezione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

6.2.3 Spettro di densità di potenza per OFDM . . . . . . . . 75

6.2.4 Modulazione multisimbolo . . . . . . . . . . . . . . . . 78

6.2.5 Trasmissione multirate . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

6.2.6 OFDM in 802.11a e in HIPERLAN2 . . . . . . . . . . 80

6.2.7 IEEE 802.11a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

6.2.8 Ricevitore Rake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

7 LEZIONE 7 - 17/4/08 86

7.1 Protocollo ALOHA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

7.1.1 Calcolo del troughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

7.1.2 Protocollo ALOHA Slotted . . . . . . . . . . . . . . . . 91

7.1.3 R-ALOHA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

7.2 Carrier Sensing (CS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

8 LEZIONE 8 - 17-4-08 96

8.1 CSMA/CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

8.1.1 Combining method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

8.1.2 Meccanismo RTS/CTS(4-way handshacking . . . . . . 99

8.1.3 Prestazioni dei metodi di accesso random . . . . . . . . 99

8.1.4 Prestazioni degli algoritmi ad accesso random . . . . . 101

3

INDICE INDICE

8.1.5 Prestazioni in presenza di effetto cattura . . . . . . . . 106

8.1.6 Prestazioni in presenza di terminale nascosto . . . . . . 108

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Capitolo 1

LEZIONE 1 - 3/3/08

1.1 Definizioni

Un servizio di telecomunicazioni è un insieme di procedure per il trasporto

e l’utilizzazione a distanza dell’informazione. Ciò significa che, oltre a

garantire il trasporto, deve anche offrire la possibilità che l’informazione una

volta arrivata a destinazione possa essere usata con scopi diversi dall’utente.

Vi sono varie tipologie di informazioni caratterizzate da proprietà diverse

e caratteristiche statistiche diverse. Ad esempio informazioni audio (voce,

suoni), video (immagini fisse, immagini in movimento), dati (messaggi di

posta elettronica, transazioni bancarie etc..), sorgenti multimediali (com-

binazione di almeno due tipologie diverse di informazioni) Per supportare

queste differenze di topologie la rete deve avere particolari caratteristiche.

La tendenza oggi è quella di far interoperare le differenti reti per garantire

la possiblità di erogare servizi avanzati di telecomunicazioni (per es. gestire

contemporaneamente video e fonia). I servizi di telecomunicazioni possono

essere classificati in varie categorie:

• servizi monomediali: fonia, fax....

• servizi multimediali

• servizi punto-punto: conversazione telefonica tra 2 utenti

• servizi multipunto: teleconferenza

• servizi diffusivi: broadcasting, servizio accessibile a tutti (es. pro-

grammi TV)

• servizi interattivi: tre tipologie a seconda del grado di velocità

5

1.1. DEFINIZIONI CAPITOLO 1. LEZIONE 1 - 3/3/08

Figura 1.1: es. di requisiti per vari servizi

– di conversazione

– di messaggistica (e-mail)

– di consultazione

• servizi distributivi:

– con controllo di presentazione (es. televideo)

– senza controllo di presentazione (es. TV analogica)

Ogni sistema di telecomunicazioni ha requisiti diversi, molto diversi tra

loro, alcuni dei quali vanno addirittura in collisione. I principali requisiti

sono:

• probabilità di blocco: probabilità che il servizio possa non essere

erogato

• tempo di ritardo end to end: tempo necessario affinchè un pacchet-

to vada da un nodo ad un altro

• velocità media: frequenza di cifra (bit rate) con cui la rete trasporta

l’informazione

• probabilità di errore/perdita: aliquota di bit consegnati dalla rete

errati o persi

Come si può vedere dall’immagine seguente servizi differenti richiedono

requisiti differenti 6

1.1. DEFINIZIONI CAPITOLO 1. LEZIONE 1 - 3/3/08

Da notare come nell’immagine i 64 Kb/sec per la fonia vengano fuori

poichè la banda fisica è a 4 kHZ, campionando con Nyquist diventano 8 kHZ

(8000 campioni al secondo), quantizzando a 8 bit si ha 8*8 = 64 Kbit

Una rete di telecomunicazioni può essere definita come un’aggregazione

di apparecchiature (hardware) e di istruzioni (software) per la fornitura di

servizi di telecomunicazione. Una rete di telecomunicazioni può essere divisa

in 2 parti:

• rete di accesso: deve essere capillare in maniera che l’utenza possa

avere le modalità per accedere alla rete

• rete di trasporto: ha il compito di trasferire grandi quantità di

informazioni che sono state concentrate in nodi (dorsale)

Avendo finalità diverse le due reti possiedono proprietà differenti. Di seguito

un’immagine che rappresenta le due reti.

Figura 1.2: rete di accesso e rete di trasporto

Una rete può essere:

• fissa: rete iin cui si utilizza una tecnologia cablata (doppino,fibra

ottica) 7

1.1. DEFINIZIONI CAPITOLO 1. LEZIONE 1 - 3/3/08

• mobile: wireless. La rete wireless può erogare anche servizi fissi (per

es. satellitari)

Come mostrato dalla figura seguente, vi sono varie soluzioni wireless al

variare della velocità. Aumentando la mobilità aumenta l’ostilità del canale

di trasmissione e per recuperare l’ostilità si diminuisce la velocità di trasmis-

sione. Da ciò viene fuori che per mobilità elevate si hanno velocità basse.

La differenza tra reti indoor e outdoor è che la mobilità di una rete indoor è

minore di quella outdoor.

Figura 1.3: Mobilità bit/rate WLAN

Le reti possono essere anche classificate in base alle dimensioni. In base

a questa classificazione dividiamo le reti in 3 tipologie:

• geografiche: WAN (Wide Area Network)

• metropolitane: MAN (Metropolitan Area Network)

• locali: LAN (Local Area Network)

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1.2. CONVERGENZA CAPITOLO 1. LEZIONE 1 - 3/3/08

Esempi relativi all’ultima classificazione possono essere la rete terreste per

la radiodiffusione in broadcasting della TV (rete geografica), rete per la

erogazione di servizi di telefonia fissa, rete satellitare per la localizzazione

(GPS). Ogni rete offre servizi specifici.

1.2 Convergenza

Internet è un insieme di WAN,MAN,LAN interconnesse ed interoperanti me-

diante i router (vedi figura) che devono essere soggetti a certi requisiti. Le

reti interlavorano utilizzando la suite di protocolli TCP/IP.

Figura 1.4: Internet

Internet rappresenta un esempio di convergenza di reti, ossia la capacità

di far interlavorare reti completamente diverse. Quando si parla di conver-

genza si intende il confluire di più aspetti originariamente separati ed oggetto

di dinamiche di evoluzioni indipendenti e con relazioni semplici. Un esempio

di ciò può essere rappresentato dal doppino telefonico che negli anni è stato

utilizzato per usi sempre diversi. In pratica la convergenza è la possibilità di

riuscire a far confluire (avendo vantaggi) più reti offrendo servizi che singolar-

mente non potrebbero erogare. Un esempio è rappresentato dall’ UMTS che è

nato con il paradigma di copertura globale. Per garantire tale copertura non

bastava soltanto la rete terrestre, per cui c’è bisogno che interoperino rete

terrestre e rete satellitare.Un elemento fondamentale per realizzare la con-

vergenza è stata la digitalizzazione delle informazioni, senza cui ogni sforzo

di convergenza sarebbe stato vano. Una definizione di convergenza tratta dal

libro verde sulla convergenza tra i settori delle Telecomunicazioni, dell’Au-

diovisivo e delle Tecnologie dell’Informazione (Bruxelles 8 Dicembre 1997)

9

1.2. CONVERGENZA CAPITOLO 1. LEZIONE 1 - 3/3/08

afferma che la convergenza è la capacità di differenti piattaforme di rete di

gestire servizi di tipo fondamentalmente simili. Ossia la capacità di erogare

un servizio non solo in modo classico ma anche attraverso una rete differente

(ad es. la fonia). Ossia utilizzare dispositivi differenti per fornire la stessa

tipologia di servizio (unificazione di apparecchiature di largo consumo). Le

immagini seguenti mostrano come da reti separate si possa giungere ad una

covergenza globale.Per avere convergenza globale ci si aspetta che tutte le

reti nate in maniera separata facciano parte di un’unica rete che offra servizi

ad utenti separati. La convergenza può essere anche vista in aspetti separati

e dunque avere:

• convergenza nelle reti: capacità delle reti di essere trasparenti rispet-

to ai servizi da erogare. L’utente non deve preoccuparsi di scegliere la

rete per avere un servizio. E’ la capacità di acquisire lo stesso servizio da

terminali differenti anche se, eventualmente scalati nelle caratteristiche.

• convergenza dei servizi: capacità dei servizi di essere trasparenti

rispetto alle reti che devono supportarli. Nuovi servizi possono es-

sere erogati da infrastrutture esistenti senza che esse richiedano un

aggiornamento (up-grading)

• convergenza nei terminali: La capacità di acquisire lo stesso servizio

da terminali differenti anche se eventualmente scalati nelle caratteris-

tiche

Un esempio di convergenza nelle reti è rappresentato da Wi-MAX che

è una tecnologia wireless per MAN che opera nello spettro 2-66 GHz con

velocità fino a 70 Mbit/sec e con distanze fino a 50 Km (IEEE 802.16, accesso

a larga banda saltando l’hot spot). Tale standard comprende vari standard:

→

10-66 GHz: stazioni in vista stazioni fisse 2-10GHz GHz: stazioni non

→

necessariamente in vista stazioni fisse mobili. Ossia si ha una convergenza

tra fisso e mobile.

Integrando più tecnologie è dunque possibile erogare servizi avanzati

di Telecomunicazioni.La convergenza è importante sia dal lato utente che

dal lato fornitore. E’ importante dal lato utente poichè vi è una sempre

crescente richiesta di multimedialtà e una richiesta di accesso sempre più

capillare che richiede forte integrazione di rete. Dal punto di vista del forni-

tore è importante poichè l’obiettivo è di ottenere efficienza sempre maggiore

massimizzando la condivisione delle risorse, riducendone al minimo la repli-

cazione, favorendo la cooperazione tra tutte le componenti che interagiscono e

ciò porta ad avere un througputh sempre più elevato. Esempi di convergenza

possono essere quelli rappresentati nelle immagini seguenti.

10

1.2. CONVERGENZA CAPITOLO 1. LEZIONE 1 - 3/3/08

Figura 1.5: reti separate

Figura 1.8: Integrazione di reti di tipo overlay

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1.3. WLAN CAPITOLO 1. LEZIONE 1 - 3/3/08

Figura 1.6: convergenza globale

1.3 WLAN

Le WLAN hanno il ruolo di garantire un accesso più capillare rispetto ad

una LAN in cui la rete è disponibile solo nei punti di accesso. Devono inoltre

garantire servizi di mobilità (mobilità di apparato). Se si elimina la ger-

archia presente nelle WLAN (ossia gli Access Point) e si considerano le reti

ad hoc, queste funzionalità sono ancora allargate. Ciò si può avere facendo

in modo che vi sia cooperazione tra gli utenti. Questo atteggiamento coop-

erativo dovrebbe essere presente anche in UMTS per eliminare il problema

della cella (per es. se non si ha campo mentre un utente vicino ce l’ha si

potrebbe risolvere il problema con la cooperazione). Il problema è di privacy

e di batteria. Le WLAN possono essere classificate in varie tipologie, ognuna

con caratteristiche ed obiettivi diversi:

• reti aziendali 12

1.3. WLAN CAPITOLO 1. LEZIONE 1 - 3/3/08

Figura 1.7: traffico autostradale

• reti per piccole società

• reti domestiche

• reti personali

Le reti wireless utilizzano per la trasmissione raggi infrarossi (raramente,

es il telecomando) o onde radio. Le velocità di trasmissione nelle reti wireless

sono generalmente inferiori rispetto a quelle ottenibili con le reti fisse (wired)

a causa della maggiore ostilità del canale wireless. Le WLAN possono anche

essere classificate in base alla infrastruttura:

• reti infrastrutturate: non interviene lo strato di rete ma solo quello

fisico e data link

• reti autoconfiguranti:

– reti ad hoc: nella rete ad hoc non c’è l’AP, gli attori interagiscono

mediante protocolli peer to peer

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1.3. WLAN CAPITOLO 1. LEZIONE 1 - 3/3/08

Figura 1.9: Rete infrastrutturata

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1.3. WLAN CAPITOLO 1. LEZIONE 1 - 3/3/08

Figura 1.10: Rete ad hoc

– reti di sensori: la rete di sensori, a differenza di quella ad hoc,

è caratterizzata da un numero elevato di terminali (sensori), mo-

bilità ridotta ( i sensori possono essere fuori servizio a causa delle

batterie), necessità di connessione affidabile tra i nodi, minore

capacità di elaborazione e di potenza rispetto alle reti ad hoc.

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Capitolo 2

LEZIONE 2 - 6/3/08

2.1 Generalità sulle Reti Wireless

L’industria associata alla tecnologia wireless è una delle più grandi al mondo.

Per comprendere facilmente ciò basta pensare alle applicazioni di tale indus-

tria: telefonia cellulare, accesso wireless ad Internet, WLAN, reti wireless do-

mestiche,reti satellitari,reti per radiolocalizzazione(GPS).Per es.un’infrastruttura

per telefonia cellulare ha tre compiti fondamentali:

1. Gestire la mobilità

2. Fornire l’interfaccia tra la PSTN (Public Switch Telephony

Network e le stazioni radio-base

3. Fornire le connessioni ai terminali mobili

La rete cellulare wireless è costituita da telefoni mobili,la base station, link

punto-punto ed interfaccia tra BS e PSTN per gestire la mobilità, come

mostrato in figura 2.1.

La rete mostrata in figura è basata sulla connessione voice-oriented (II

generazione) con certi requisiti di QoS (Quality of Service) garantiti. Per

seconda generazione si intende una rete a commutazione di circuito (per es.

GSM). GPRS è ancora di II generazione ma prevede anche la commutazione

di pacchetto. WAP è a commutazione di circuito ma non è economico poichè

si paga in base al tempo e non ai bit. Le reti voice-oriented sono utiliz-

zate dunque nella telefonia cellulare, per i cordless locali e per PCS (Per-

sonal Communication Service). Di contro, una rete data-oriented non è

basata sulla connessione ma i terminali sono sempre connessi alla rete. Gli

elementi della rete mobile sono(vedi figura 2.2): i terminali mobili, g