01 Panoramica su Comunicazioni Wireless -...

Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 1

Sistemi Mobili M

Università di Bologna

CdS Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica

II Ciclo - A.A. 2014/2015

Corso di Sistemi Mobili M (8 cfu)

01 – Panoramica su Comunicazioni

Wireless

Docente: Paolo Bellavista

[email protected]

http://lia.deis.unibo.it/Courses/sm1415-info/

http://lia.deis.unibo.it/Staff/PaoloBellavista/

mailto:[email protected]


Cenni di Modelli

di Propagazione

Giusto per spaventarvi in partenza , tutto deriva sempre

dalle equazioni di Maxwell…

Avete già parlato di modelli di propagazione e modelli di fading in

Fondamenti Telecomunicazioni T, vero?

Modelli di propagazione

Free-space loss

Pr(d) ~ PtGtGr (λ/4Πd)2

Plane earth loss

Pr(d) ~ PtGtGr (hthr/d2)2


Cenni di Modelli

di Propagazione

In scenari realistici o reali, condizioni molto più complicate,

che portano, come succede spessissimo in ambito ingegneristico, a

modelli empirici approssimati


Plane earth loss



Cenni di Modelli

di Propagazione

In scenari realistici o reali, condizioni molto più complicate, che portano, come succede spessissimo in ambito ingegneristico, a modelli empirici approssimati


Plane earth loss


Modello di Okumura

-Hata

Modello COST-231-Hata

Modello COST-231-

Walfisch-Ikegami

…

Modelli propagazione

indoor

Modelli basati su

ray-tracing (ottica geometrica e teoria della diffrazione)


Cenni di Modelli

di Fading su Canale

Tre tipi principali di channel fading nelle comunicazioni mobili

(causate da riflessione, diffrazione e scattering):

Shadowing (o slow-fading)

Multipath Rayleigh fading

Frequency-selective fading

Shadowing: blocco e riflessione parziale da parte di alberi, edifici, veicoli in

movimento, … calo della potenza ricevuta in ampio spettro di frequenze

probability distribution function

pdf =

Ψ = Pr/Pt

2

2

(ln )

21

2

r m

er


Shadowing

Shadowing:

da pdf a determinazione di U(P0) ovvero probabilità di area di

copertura (percentuale dell’area di copertura con potenza di

segnale ricevuto superiore a P0)

pdf U(P0)


Rayleigh Fading

ed Effetti Combinati

Distribuzione di Rayleigh

Fluttuazione potenza

segnale ricevuto con

range di trasmissione dovuta a Rayleigh (fast fading),

shadowing (slow fading) e

multipath delay spread

(frequency–selective)


Rayleigh Fading

ed Effetti Combinati

Si può dimostrare che Rayleigh fading si ottiene ad esempio da un

semplice modello multipath con 2 cammini

Inoltre, effetto Doppler e shift di frequenza (time-selective fading)

Potreste anche incontrare i termini di Ricean fading, Nagakami fading, Suzuki fading, …


Altri Effetti:

Scattering, Assorbimento Atmosferico, …

Scattering da superficie scabra

Attenuazione da pioggia Assorbimento da gas


Comunicazioni Wireless: Indice delle varie Soluzioni Disponibili

Panoramica su:

Wireless LAN – IEEE 802.11

Wireless MAN

IEEE 802.16 – WiMAX/WirelessMAN

IEEE 802.20 – MBWA/Vehicular Mobility

IEEE 802.11 - WiFi & Mesh Networking

Cellular Networks

Wireless PAN (IEEE 802.15)

Bluetooth

ZigBee


Wireless Space

Data Rate (Mbps)

Tra

ns

mis

sio

n r

an

ge

0.01 0.1 1 10 100

<100m

~250m

~1 mile

< 10 miles

> 1000s miles

802.15.4

ZigBee 802.15.1

Bluetooth

802.11

WiFi

802.16

WiMAX

802.20

MBWA

Cellular

Satellite


Spazio delle Comunicazioni Wireless:

con maggiore dettaglio…


Standard IEEE 802.x per Local Area Networks (LAN)

Gli standard IEEE 802.x definiscono:

Protocolli a livello fisico

Protocolli a livello data link

Medium ACcess (MAC) sub-layer

Logical Link Control (LLC) sub-layer

Higher network layers

Physical layer

Data link layer

802.2 Logical link control

Medium access control

802.3 802.5

CSMA/CD bus

Token-passing ring

802.11

CSMA radio


Ethernet/IEEE 802.3

basato su CSMA/CD Algoritmo CSMA/CD:

Effettuare sensing del canale Se idle, trasmissione immediata

Se occupato, attendere fino a che il canale ritorna idle

Collision Detection Abort immediato di una trasmissione se avviene detection di

collisione

Tentativo successivo di trasmissione dopo attesa per intervallo di tempo random

Perché CSMA/CD?

CSMA riduce numero di collisioni

CD riduce l’impatto negativo di potenziali collisioni


Esattamente

Algoritmo Ethernet

1-persistent CSMA + binary exponential backoff

Sensing del canale

Se idle, trasmissione immediata

Altrimenti, attesa fino a che canale idle e trasmissione

immediata

Se c’è detection di collisione

Scelta casuale di uno slot di trasmissione nel range [0, 2n),

dove n=min(10,k) e k numero di collisioni già “subite” per

trasmissione di quel frame

Lunghezza slot = 2 * end-to-end propagation delay

Trasmissione durante quello slot

Algoritmo si adatta a cambiamenti nel carico di rete


Wireless LAN o

IEEE 802.11

Comunicazioni wireless a corto raggio

Range di trasmissione <250m

Banda fino a 54Mbps

802.11b (2Mbps and 11Mbps at 2.4GHz)

802.11a (54Mbps at 5GHz)

802.11g (54Mbps at 2.4GHz) – compatibile con

802.11b

Standardizzazione dei livelli per accessi multipli

(MAC), per mezzo fisico e sicurezza (supporto parziale)

Tipicamente no Quality of Service


Problemi Principali

IEEE 802.11

Da molti punti di vista, simile a Ethernet, ma:

CSMA/CD potrebbe funzionare correttamente in wireless?

CD non possibile a causa di problemi di attenuazione

Anche CS ha problemi: non tutti nodi sono nel raggio di copertura di ciascun altro nodo

Problemi classici:

Hidden node

Exposed node


Problema del cosiddetto

Hidden Node

C non è in grado di essere consapevole della trasmissione di A (out of range) e quindi comincia a trasmettere verso B

Collisione!

A B C

A comincia a trasmettere verso B


B comincia trasmissione verso A

C si accorge di questa trasmissione e non invia verso D

Errore: questa trasmissione non avrebbe interferito con A e D

A B C D

Problema del cosiddetto Exposed Node


Multiple Access

Collision Avoidance (MACA)

B vuole trasmettere verso C

B trasmette un primo frame Ready To Send (RTS) verso C. Il

frame contiene la lunghezza dei dati da trasmettere

C risponde con un frame Clear To Send (CTS)

Altri nodi che fanno overhearing del frame RTS devono rimanere

in silenzio sufficientemente a lungo per consentire a C di

replicare con CTS

Altri nodi che fanno overhearing di CTS devono rimanere in

silenzio per la durata della trasmissione di B

A B C D


MACA: Collisioni Possibili?

Collisioni possono accadere comunque

Ad esempio, simultaneo invio di frame RTS

Perlomeno frame dati non possono avere collisioni

Soluzione: nodi fanno ritrasmissioni usando l’algoritmo classico Ethernet, ovvero binary exponential backoff

Provate a controllare quanto spesso il meccanismo RTS/CTS è utilizzato nella vostra rete WiFi?

Come? Ad esempio tramite sniffing del canale radio…

Mai usato WireShark o similari?


Due Possibili

Configurazioni IEEE 802.11

Ad hoc: tutti i nodi sono potenzialmente mobili e comunicano direttamente gli uni con gli altri Quanti hop? Quale affidabilità? Quale latenza siamo disposti ad

accettare? Quale trade-off fra questi elementi?

Quali problemi/sfide se lo realizzaste con gli algoritmi MAC-routing-trasporto che conoscete?

Differenze rispetto a Wi-Fi Direct? Dispositivi Wi-Fi Direct ospitano sw access point ("Soft AP")…

Base station:

Nodi fissi connessi a rete wired network svolgono ruolo di access point (o stazioni base) per comunicazioni wireless

Nodi mobili comunicano attraverso access point

Nodi mobili operano scan occasionali nella località per cercare nuovi/altri access point usando un protocollo probe/response

Quali problemi/sfide se lo realizzaste con gli algoritmi MAC-routing-trasporto che conoscete? Ad esempio, passaggio da un access point ad un altro


Wireless MAN:

IEEE 802.16 o WiMAX

Obiettivo: broadband access in aree metropolitane

Perché?

Domanda crescente per connessioni di rete locale ad alta velocità

Fibra/cavo ad alta capacità verso ogni utente è economicamente non sostenibile (pensate a uso WiMAX in aree montane o per coperture aree geografiche scarsamente abitate)

IEEE 802.11 è a corto raggio (250m circa in condizioni ottimali)

Comunicazioni cellulari (vedremo una panoramica nel seguito) potrebbero essere o sono percepite come troppo costose per data rate offerto


Wireless MAN:

IEEE 802.16

Standard IEEE 802.16 copre “last mile”

Data rate massimo = 70Mbps (IEEE 802.11g ha data rate

di 54Mbps; tecnologie cellulari: qualche centinaio di Kbps, al

massimo pochi Mbps)

Ottimizzato per “fixed station”

Idea: ogni edificio equipaggiato con una antenna

(subscriber station) che comunica con base station

centrali, cablate wired verso Internet

Commutazione di circuito, architettura gerarchica

Secondo voi, perché scarsa diffusione, specie in alcuni

contesti nazionali (ad es. Italia)?


Wireless MAN:

IEEE 802.20 – Vehicular Mobility

IEEE 802.20 copre i livelli fisico e MAC per sistemi wireless mobile

broadband

Opera in licensed band sotto 3.5 GHz

Ottimizzato per comunicazione di IP-data

Data rate di picco in downlink per utente > 1 Mbps

Data rate di picco in uplink per utente > 300 Kbps

Numero di utenti simultaneam. attivi più alto che negli altri sistemi mobili

esistenti

Supporta differenti classi di mobilità veicolare, fino a 250 Km/h in

ambiente MAN

Ma quali altri problemi possono sorgere in termini di routing,

trasporto, applicativo?

e IEEE 802.11p? …


IEEE 802.11p – Vehicular Mobility


Wireless MAN:

Copertura WiFi?

Facoltà di Ingegneria di Viale Risorgimento relativamente

ben coperta da access point WiFi

Come coprire regioni più ampie?

Già fatto da diverse città di varie dimensioni Akron, Ohio; Albany, New York; Anderson, Indiana; Aparecida, Brazil; Balanga City, Philippines

(limited to downtown and several tourist attractions only); Bangkok, Thailand; Belo Horizonte,

Brazil; Binghamton, New York; Bologna, Italy (historical city center); Boston, Massachusetts;

Bristol, UK (3 km area around city centre); Calbayog City, Philippines; Calgary, Alberta;

Cambridge, Massachusetts (pilot); Cambridge, Ontario; Chandler, Arizona; Clearwater Beach,

Florida; Corpus Christi, Texas; …

City-wide WiFi mesh network, IEEE 802.11s, ad esempio

Philadelphia (135 miglia quadrate, 4000 lampioni, 1,5M utenti), Houston,

Cerritos (CA, 8.6 miglia quadrate, 130 nodi), Portsmouth (UK, gestione

flotta bus), …

Domanda aperta: che cosa vuol dire organizzare e gestire una WiFi

mesh network? Quali sfide tecnologiche?


IEEE 802.11 per

Municipal Mesh Network

Stazioni base IEEE 802.11 formano una infrastruttura e possono comunicare fra loro in modo wireless Formano una maglia (rete mesh)

Sono capaci di gestire handoff delle connessioni cliente da una stazione base ad un’altra (supporto alla mobilità)

Quali differenze tecniche rispetto a IEEE 802.11 “usuale”?

Perché soluzione a mesh? Costo, robustezza, …

Possibilità di connettere solo alcune stazioni base a Internet in modo wired

Idealmente ogni access point domestico o in un campus universitario o perfino ogni nodo mobile può contribuire all’infrastruttura mesh Quali problemi? Quali necessità?


WiFi Direct

Wi-Fi Direct, o Wi-Fi P2P (nome iniziale),

enabler per connessione diretta di dispositivi, anche multi-punto, concorrente di Bluetooth per applicazioni che non necessitano di requisiti di basso consumo

Solo uno dei dispositivi Wi-Fi deve essere conforme a Wi-Fi Direct per stabilire connessione peer-to-peer

Tecnicamente Wi-Fi Direct essenz. obbliga ogni dispositivo

conforme a implementare un software access point (Soft

AP). Soft AP realizza una versione delle modalità di connessione AP

chiamata Wi-Fi Protected Setup (push-button o PIN-based setup)

Quando un dispositivo entra nel range di un Wi-Fi Direct host, ottiene

info di setup da tale host tramite Protected Setup in modo semplificato e

semi-automatico


WiFi Direct Soft AP

Un Soft AP può essere più semplice o complesso a

seconda del ruolo che deve svolgere (flessibilità dello

standard). Ad esempio, un digital picture frame può fornire solo servizi di base per

connessione e upload da parte di macchine fotografiche; uno smart

phone tipicamente consente data tethering con capacità di bridge

verso Internet

“Pairing" di dispositivi Wi-Fi Direct può essere configurato

per richiedere prossimità “vera” fra dispositivi, ad esempio,

tramite verifica di presenza di segnali Near Field Communication (NFC)

o Bluetooth (e/o esplicito button press da parte dell’utente)


Reti Cellulari:

Idea Base

Molte antenne di trasmissione a bassa potenza (800-900MHz)

Perché? Scalabilità e deployment incrementale

Area geografica divisa in celle adiacenti

Ogni cella servita da una stazione radio base (Base Station - BS) Analogo a quanto visto per IEEE 802.11 BS (access point)

Frequenze radio possono essere riutilizzate in celle non adiacenti, purché un intervallo spaziale di non interferenza sia rispettato


Architettura

Rete Cellulare

Mobile

Switching

Center

Rete Wired

Mobile

Switching

Center

connette celle a WAN gestisce setup chiamate locali gestisce mobilità

MSC

copre una regione geografica base station utenti mobili si collegano alla rete tramite BS air-interface: protocolli a livello fisico e link fra dispositivi mobili e BS

cella


Una Pletora di Standard

Differenziati per Reti Cellulari (1)

Sistemi 2G: canali solo voce (ma già tecnologia digitale

sia in comunicazione che commutazione)

IS-136 TDMA: FDMA/TDMA combinati (N.America)

Global System for Mobile communications (GSM): FDMA/TDMA

combinati

Più ampiamente diffuso e utilizzato

IS-95 Code Division Multiple Access (CDMA)

Sistemi 2.5G: canali per voce e dati

Estensioni a 2G prima della diffusione di 3G

General Packet Radio Service (GPRS)

Evoluzione di GSM

Data inviati su canali multipli, quando disponibili


… 2.5G

Enhanced Data rates for Global Evolution (EDGE)

Anche in questo caso evoluzione di GSM; cambio di modulazione

Data rate fino a 384Kbps

Sistemi 3G: canali voce e dati, ovviamente

Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS)

Ulteriore passo evolutivo di GSM, ma con utilizzo di CDMA

CDMA-2000

WCDMA

Sistemi 4G: canali voce e dati, ovviamente

Data rate fino a 20Mbps

Indicati spesso con termine LTE o LTE-Advanced

Già disponibile in Giappone dal 2006

Standard per Reti Cellulari (2)


Standard per Reti Cellulari:

Evoluzione


Reti Cellulari:

da Circuit a Packet Switching


Architettura Generale

di GSM (1)

BSS

MSC

VLR

HLR

EIR

AUC

MT

TE

MS

Um

A

PSTN

BSC

BTS BTS

OMC

NMC

ADC

OSS

BSS

MS

GSM Public Land Mobile Network (PLMN)

OSS: Operation Subsystem BSS: Base Station Subsystem MS: Mobile Station

Abis


MS comunica con varie BSS attraverso sua interfaccia

radio Um

Mobile Terminal (MT) supporta canali fisici fra MS e

BSS (trasmissione radio, coding del canale, coding della

conversazione voce, …)

Terminal Equipment (TE) contiene dati terminal/user-

specific (anche profili utente) e smart card (ad es. SIM)

Identifica l’utente verso la rete, ad es. in caso di supporto a

mobilità personale (in aggiunta alla mobilità terminale) e sicurezza

By the way, conoscete la differenza fra user mobility,

terminal mobility, session/resource mobility?


di GSM (2)


Organizzazione gerarchica e principio di località

BSS comunica con MSC attraverso l’interfaccia di rete A

Base Transceiver Station (BTS) gestisce allocazione di canale, signaling, frequency hopping, triggering handover, …

BTS comunica con Base Station Controller (BSC) usando l’interfaccia Abis

BSC gestisce canali radio, paging, handoff per diverse BTS

MSC svolge ruolo di gateway verso PSTN e reti packet data

Si occupa di switching, paging, aggiornamento locazione di MS,

controllo handoff, …

Home Location Register (HLR) memorizza info di subscriber e parte

delle info locazione di MS per effettuare routing delle chiamate in ingresso

verso Visitor Location Register (VLR) opportuno

VLR memorizza la lista degli utenti “in visita” nella sua area e assegna

i cosiddetti roaming number


di GSM (3)


AUthentication Center (AUC) è acceduto da HLR per

l’autenticazione utente all’accesso a servizi

Equipment Identity Register (EIR) supporta l’identificazione

di MS rubate o fraudolente (furto di identità)

OSS si occupa di monitoraggio, controllo e gestione della rete

Operations and Maintenance Center (OMC)

Network Management Center (NMC)

ADministration Center (ADC)


di GSM (4)


Mobile

Switching

Center

old BSS new BSS

old

routing

new

routing

Handoff GSM

(con MSC comune)

Motivazioni alla base di

handoff (o handover)

Segnale più forte da/verso nuovo

BSS (connettività “più continua”,

minore consumo batteria, …)

Bilanciamento di carico: può

liberare canali nel BSS corrente

GSM non specifica perché operare

handoff (policy), ma solo come

(meccanismi)

Handoff avviato dal vecchio

BSS


Mobile

Switching

Center

old BSS

1

3

2 4

5 6

7 8

new BSS

1. Vecchio BSS informa MSC della necessità di

effettuare handoff, fornendo una lista di uno o

più nuovi BSS

2. MSC configura nuovo path (allocazione di

risorse) verso il nuovo BSS

3. Nuovo BSS alloca canale radio che il

“visitatore” mobile dovrà utilizzare

4. Nuovo BSS segnala a MSC e vecchio BSS il

suo stato di ready

5. Vecchio BSS informa dispositivo mobile che

deve essere effettuato handoff verso nuovo

BSS

6. È dispositivo mobile che segnala al nuovo

BSS di attivare nuovo canale

7. Dispositivo mobile segnala a MSC, attraverso

nuovo BSS, che handoff è completo; MSC fa

re-routing della chiamata

8. Rilasciate risorse sul path MSC-to-OldBSS

Handoff GSM

(con MSC comune)


home network (contiene home location register)

MSC

PSTN

correspondent

MSC

anchor MSC

MSC MSC

(a) prima di handoff

Anchor MSC: primo MSC

visitato durante la chiamata

Chiamata rimane instradata

attraverso anchor MSC

Nuovi MSC si aggiungono alla

fine della catena di MSC mano

a mano che il dispositivo mobile

si muove

IS-41 permette di minimizzare il

path (funzionalità opzionale)

nella catena multi-MSC

Handoff GSM

(MSC differenti)

HLR


home network

MSC

PSTN

correspondent

MSC

anchor MSC

MSC MSC

(b) dopo handoff

Handoff GSM

(MSC differenti)

Anchor MSC: primo MSC

visitato durante la chiamata

Chiamata rimane instradata

attraverso anchor MSC

Nuovi MSC si aggiungono alla

fine della catena di MSC mano

a mano che il dispositivo mobile

si muove

IS-41 permette di minimizzare il

path (funzionalità opzionale)

nella catena multi-MSC

HLR


Parentesi su Handoff (ne parleremo più avanti nel dettaglio…)

Molte categorizzazioni possibili (vedi anche ampia

letteratura nel settore)

Handoff orizzontale (connettività omogenea) o

verticale (connettività eterogenea)

Mobile-initiated o Network-initiated. Anche, dove

viene presa la decisione di handoff?

Quando effettuare triggering di handoff?

Reattivo

Proattivo

Come scegliere rete destinazione?

Quali indicatori di monitoraggio considerare e quali

metriche?


Parentesi su Handoff (ne parleremo più avanti nel dettaglio…)

Gestione hard handoff o soft handoff (abilitare

concorrentemente più interfacce radio o una sola?)

Quali vantaggi e svantaggi?

Addirittura cammini multi-path, anche eterogenei…

Quali problemi? Che cosa è correntemente

supportato?

Sforzo di standardizzazione e IEEE 802.21 – Media

Independent Handover Services (sia reti 802 che non 802)


Wireless PAN:

Bluetooth o IEEE 802.15.1

Interfaccia radio (banda 2.4 GHz) usata per

connessione e comunicazione fra

dispositivi wireless

Progettata come tecnologia per

cable replacement

Potrebbe? essere utilizzata per

comunicazioni multi-hop in reti

ad hoc

Short-range: 10-100 m

Data rate di picco: 1 Mbps

Basso costo: obiettivo di $5-$10

per interfaccia

Gestisce sia voce che dati

Cordless

headset

Cell

phone

mouse


Bluetooth

Tecnologia Bluetooth nasce nel 1998 dall’alleanza di IBM, Ericsson, Intel,

Nokia e Toshiba (Bluetooth SIG)

Obiettivo: realizzare un sistema di comunicazione radio a

corto raggio, basato su un componente di piccole

dimensioni e basso costo

Bluetooth SIG ha definito le specifiche di un set di protocolli per la

comunicazione radio e del relativo stack software

Oltre alle specifiche di base, sono stati definiti dei profili che

descrivono l’utilizzo dei protocolli garantendo la comunicazione

tra dispositivi eterogenei


Bluetooth

Comunicazione 2.4 GHz (stessa frequenza

di IEEE 802.11) in frequency hopping

Banda teorica di 1306 kb/s (v2.0 + EDR)

Potenza assorbita: 1mW–10 mW

Piconet: rete con un master e al più 7 slave

Scatternet

Differenze rispetto a IEEE 802.11 infrastrutturato:

Comunicazioni punto-punto (tra master e slave)

Necessita di discovery dei dispositivi e dei servizi

Meccanismo di broadcast molto limitato


Stack Protocollare

Radio, Baseband e Link Manager

sono usualmente implementati in

firmware

I livelli più alti usualmente in

software

Quale tradeoff fra

implementazioni ai diversi

livelli?

Applicazioni interagiscono con

firmware attraverso Host

Controller Interface (HCI)

Interfacce definite: RS232,

USB, PC Card RF Baseband

Link Manager Audio

L2CAP

Data

RFCOMM SDP IP

Applications


Formazione della Topologia

Bluetooth definisce un protocollo per costruzione della topologia corrente implementato a livello baseband

1. Fase di Inquiry: un nodo che necessita di comunicare fa il discovery dei nodi vicini (all’interno raggio trasmissione)

Chi avvia il protocollo viene indicato come master, i nodi discovered vengono detti slave

2. Fase di Page: master stabilisce un canale di comunicazione bidirezionale (frequency hopping) con i suoi slave

Piconet è l’unità topologica di base per Bluetooth

Un master

Fino a 7 slave attivi (fino a 256 slave in stato parked)

Unico canale in frequency hopping


Fase di Inquiry

Obiettivo: raccogliere sufficienti info sui nodi vicini in modo tale da stabilire una piconet

Standby mode

Inquiry mode

Inquiry scan mode (within transmission range)

Inquiry scan mode (outside range)


Fase di Inquiry

Nodi che hanno bisogno di comunicare entrano in Inquiry

mode

Trasmettono loro short ID (Inquiry Access Code – IAC)

Attendono risposte dai vicini

Per risparmiare energia, gli altri dispositivi alternano

Inquiry Scan mode e Standby mode

Inquiry Scan = in ascolto per richieste di comunicazione

Nodi rispondono quando necessario

Dopo un intervallo di tempo predefinito, master entra nella

fase di Page purché abbia ricevuto almeno una risposta


Fase di Page

Master conosce valore di

clock stimato e BT_ADDR

per ogni slave

Master fa broadcast dei

pacchetti con ID

Quando uno slave

risponde, master e slave

procedono con lo

scambio delle info

necessarie per stabilire una

connessione

Comunicazione in piconet

è connection-oriented

Master in Page mode

Slave in Page scan mode (within transmission range)

Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M

Bluetooth: Temporizzazione e Clock

Bluetooth prevede di sincronizzare maggior parte delle

operazioni con segnale di clock in tempo reale. Ad esempio,

per sincronizzare scambi di dati tra dispositivi, distinguere

tra pacchetti ritrasmessi o persi, generare una sequenza pseudo-casuale

predicibile e riproducibile

Clock Bluetooth è realizzato con contatore (28 bit) che viene posto a 0

all'accensione del dispositivo e si incrementa ogni 312,5 µs (metà slot)

Ogni dispositivo Bluetooth ha il suo native clock (CLKN)

CLK: clock piconet, coincide con CLKN dell'unità master della

piconet. Tutte unità attive piconet devono sinc. proprio CLKN con CLK

CLKE: anche questo clock è derivato tramite offset da CLKN; è usato

dal master nel caso di creazione di connessione verso nuovo slave,

prima che tale slave sia sincronizzato con master

Una trasmissione da parte del master comincerà sempre quando CLK[1:0]

= 00 (slot di indice pari), mentre una trasmissione da parte di

uno slave comincerà sempre quando CLK[1:0] = 10 (slot di indice dispari)

56


Bluetooth: Tipi di Connessioni

I collegamenti BT possono essere di due tipi: orientati alla

connessione e senza connessione, pensati per supporto

applicazioni voce e trasferimento dati: servizio asincrono senza

connessione (ACL, Asynchronous ConnectionLess) e servizio sincrono

orientato connessione (SCO, Synchronous Connection Oriented)

ACL, traffico di tipo dati e servizio best-effort

ACL supporta connessioni a commutazione di pacchetto,

connessioni punto-multipunto e connessioni simmetriche/ asimm.

Connessioni simm con datarate massimo di 433,9 kbit/s, connessioni

asimm 723,2/57,6 kbit/s; slave può trasmettere solamente se nello

slot precedente aveva ricevuto un pacchetto dal master

SCO, connessioni con traffico di tipo real-time e multimediale

Connessioni a commutazione di circuito, punto-punto e simmetriche,

trasporto voce in canali da 64 kbit/s usualmente; master può

supportare fino a tre collegamenti SCO verso stesso slave o

verso slave differenti nella stessa piconet, no ritrasmissione in caso

di errore o perdita (perché?)

57


Bluetooth: Frequency Hopping

Bluetooth usa frequency hopping in banda 2.4 GHz ISM (79 frequenze di hop spaziate di 1 MHz). Sequenza di hopping

determinata sulla base di indirizzo master; tutti dispositivi in

piconet devono seguire stessa sequenza

Master comunica a turno con ogni slave in modo periodico

Tempo diviso in slot da 625us

Master trasmette all’inizio di slot pari, slave a inizio di slot dispari

Necessità di sincronizzazione a livello di piconet

58


Bluetooth: Frequency Hopping

In connessioni SCO, canale “prenotato” per 2 time slot per

comunicazione fra master e uno specifico slave

Periodicità di slot riservati decisa dal master (simile a circuit

switching); time slot sono allocati indipendentemente da necessità di

trasmissione

Trasmissioni ACL possono avvenire in pause fra slot riservati SCO

59


Stato dei Dispositivi

Standby

Master Slave

Inquiry

Inquiry Scan

Inquiry

Response Page

Page Scan

Slave

Response Master

Response

Connection Connection

Connection

Active

Hold

Park

Sniff

Consentono di ampliare il

numero di dispositivi

presenti in una piconet

Stati a Basso Consumo

Stati che consentono di

realizzare la connessione


Comunicazioni

in una Piconet

Canale diviso in time slot – ciascuno di 625µs

Time Division Duplex: master e i suoi slave si alternano in trasmissione/ascolto

m

s1

625 µsec

f1 f2 f3 f4


Service Discovery

Protocol (SDP)

Per scoprire dispositivi e servizi disponibili, applicazioni Bluetooth si servono di Service Discovery Protocol

Ogni server mantiene aggiornato database consultabile dai client, contenente i service record relativi ai servizi offerti

Dispositivo Server

SDDB

Service Record 1

Dispositivo Client

Registrazione del

Servizio nel Service

Discovery DataBase Server e

Servizio

trovati

Richiesta di

connessione

Connessione

accettata

Inquiry in

corso… Connessione

effettuata Utilizzo

Servizio


Bluetooth Supporta

Comunicazioni Multi-Hop?

Ad esempio, come fa nodo 1 a comunicare con nodo 7 se la distanza fra questi due nodi è superiore al loro raggio di trasmissione?

2

1

3

4

Piconet 1

6

5 7

Piconet 2


Bluetooth Scatternet

Collegamento di piconet multiple, situate in prossimità, attraverso la condivisione di un master comune o di uno slave comune

Un nodo può essere slave in una piconet e master in un’altra

Tale nodo si “muove” avanti e indietro fra le due piconet

Per lungo tempo, nessuna implementazione commerciale disponibile (solo alcuni esperimenti accademici)

2

1 3

4

Piconet 1

6

5 7

Piconet 2

Nodo 4 svolge il ruolo di master in Piconet1 e di slave in Piconet 2

Può essere creato un path da nodo1 a nodo7 attraverso nodi 4 e 6


Problema di

Clash Inquiry/Paging

I valori massimi si verificano quando dispositivi

multipli, all’interno del raggio di trasmissione di ciascun

altro, entrano in modalità Inquiry/Page nello stesso

intervallo

Connected Paging Inquiry

Tipico

Max

5.12 s

15.36 s

0.64 s

7.38 s


Parentesi di Esempio:

Sviluppare in Java per Bluetooth

In Java, ad esempio si possono

utilizzare MIDlet, ovvero applicazioni

Java per dispositivi portatili con

risorse limitate e conformi al profilo

MIDP

Esempio di stack di strumenti per lo

sviluppo: Java JDK 1.6

API JSR-82 BlueCove 2.1.0

Linux 2.6 e librerie BlueZ 4.30

hcitool, hcidump

Per semplificare la realizzazione di applicazioni basati su tecnologia Bluetooth, Sun Microsystems ha realizzato le API JSR-82

API forniscono valido supporto nella creazione di applicazioni reali, pur comprendendo solo alcuni dei protocolli e profili definiti nelle specifiche Bluetooth


Wireless PAN:

ZigBee o IEEE 802.15.4

Standard specificamente pensato per reti di sensori e attuatori con requisiti di affidabilità, cost-effectiveness e bassa potenza

Applicazioni: Controllo di home appliance

Automazione e controllo di grandi edifici e impianti industriali

Monitoring di pazienti, soprattutto domestico

Monitoring ambientale

Sicurezza militare/homeland

Come Bluetooth, fornisce profili per livelli più alti dello stack di supporto

e applicazioni

Fino a 65536 nodi (clienti) di rete

Ottimizzati per applicazioni time-critical e per ridotto consumo di potenza

Join < 30ms; Passaggio da sleep a active < 15ms

Supporto a networking full mesh


Topologie ZigBee

PAN coordinator

Full Function Device

Reduced Function Device

Star

Mesh

Cluster Tree


Tipologie di Funzioni

e Opzioni Accesso al Canale

Tipologie di funzioni per dispositivi ZigBee

Coordinatore (uno e uno solo per ogni rete ZigBee)

Avvia formazione della rete

Può agire come router una volta che la rete si è formata

“Full” device

Partecipa al routing dei messaggi

Device con funzionalità ridotte

Solo sensing o operazioni da actuator, no routing

Opzioni per accesso al canale Rete non-beacon

Si utilizza CSMA-CA, in modo pressoché analogo a quanto visto in prec.

Ack positivi per pacchetti ricevuti con successo

Rete beacon-enabled

Coordinatore trasmette beacon a intervalli di tempo predefiniti

Banda dedicata e bassa latenza

Modalità a basso consumo anche per coordinatore

01 Panoramica su Comunicazioni Wireless -...

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