RETI WIRELESS - unipi.it

RETI WIRELESS

1RW 2010/2011- Introduzione M.A. Bonuccelli Università di Pisa

Classificazione reti wireless – per struttura

Reti di calcolatori

Wired Wireless

infrastrutturate noninfrastrutturate

con BS/AP semi strutturate senza BS/AP

2RW 2010/2011- Introduzione M.A. Bonuccelli Università di Pisa

Classificazione reti wireless – per dimensione

WWAN: globali - cellulari (UMTS, CDMA200)

WRAN: regionali – WiMax

WLAN: locali – WiFi

WPAN: personali – Bluetooth

WBAN: corporali

………

RW 2010/2011- Introduzione M.A. Bonuccelli Università di Pisa3

Classificazione reti wireless – per tipo

RFID

sensori

zigbee

bluetooth

MANET – mesh

WiFi

WiMax

cellulari

cognitive radio

VANET

…….

Tutte usano comunicazioni wireless (radio, IR, laser, acustiche, …)


Caratteristiche reti wirelessTopologia FISICA e topologia LOGICA

Antenna+frequenza qualunque (dal protocollo)

Topologia fisica a diffusione a tratti, tranne che per antenne direzionali e altissime frequenze (IR, laser, ottico)

Topologia logica qualunque, a seconda del modo di comunicare (del protocollo usato)

Reti single-hop e multi-hop

Topologia infrastruttura e totale (infrastruttura + utenti) 5Gutenti nei cellulari!

Topologia statica e dinamica (reti mobili)


Antenne Trasmissione LOS e NLOS

Tipi di antenne: a guadagno fisso (tradizionali) ed “intelligenti” (smart antennas)

Guadagno di antenna: sensibilità nella ricezione


Antenne tradizionali


Guadagno antenna (amplificazione)

Antenna Sub-type Beamwidth (Degrees) Gain(dBi)

Omnidirectional 360 0–15

Patch/Panel 15–75 8–20

Sector 180 8–15

120 9–20

90 9–20

60 10–17

Directional Yagi 10–30 8–20

Parabolic refl ector 5–25 14–30

dBi= decibel isotropico – segnale (minimo) di riferimento


Guadagno di antennaguadagno di una antenna = segnale ricevuto antenna considerata /segnale ricevuto da un'antenna isotropa (cioè perfettamente omnidirezionale).

Nella pratica, antenna di riferimento = dipolo (antenna realmente isotropa è un'idealizzazione fisicamente impossibile)

Dipolo ha un guadagno di 2,15 dB rispetto ad una sorgente isotropa ideale (teorema)

Le antenne reali irradiano più di un'antenna isotropa in alcune direzioni e meno in altreun segnale captato più intenso in certe particolari direzioni

guadagno = capacità dell'antenna di concentrare il campo elettromagnetico in una data direzione misurato nella direzione in cui l'antenna ha la massima emissione o ricezione


Decibel Metrica generale per numeri puri:

Decibel di un numero A => 10 log10 A dB

Adimensionale: la dimensione si specifica dopo. Ad esempio, dBm = decibel metri (A è in metri). Se A= 1000 dB A = 30 (oppure: A= 30dB)

Usato per rapporti. Esempi:

il rapporto fra una tonnellata e un chilogrammo è 1.000:1, o 3 bel, o 30 decibel

il rapporto fra un eurocent e 1000 euro è 1:100.000, ossia - 5 bel, o - 50 dB

il rapporto fra l'intensità sonora (espressa in W/m2) di un concerto rock e quella di una normale conversazione è di 1.000.000:1, o di 6 bel, o di 60 dB.


Antenne intelligenti


+ antenne trasmettono in parallelo in direzioni diverse

Switched beam antenna: array di antenne direzionali – se ne usa 1 alla volta (la migliore)

Adaptive beam forming: si usano tutte con guadagni diversi

MIMO: si usano tutte su frequenze diverse + segnali in parallelo

Antenne al plasma: plasma a stato solido su silicio (veloci)

Antenne multibeam• Model MB2-90V6-24

• Frequency Band, GHz 2.400 - 2.490

• Polarization Linear, Vertical

• Sector Coverage 90°

• Beams per Sector 6 Simultaneous

• Beam Width Azimuth 15° (+/- 2°)

• Beam Width Elevation 10° (+/- 1°)

• Gain, dBi (Minimum) 17.6

• First Sidelobe, dB >18.0

• F/B Ratio, dB >35

• Cross Polarization Discrimination (XPD), dB 25

• Antenna to Antenna Isolation, dB Min.

• Horizontal 4-in. spacing >50 dB

• Vertical 24-in. spacing >70 dB

• VSWR Max. (R.L.) 1.50:1 (14.0)

• Input Connector Type / Impedance Type N Female / 50 ohm

• Maximum Input Power (per beam) 3 Watts


Fondamenti di comunicazione radio (1)

Comunicazione mediante onde elettromagnetiche descritte dalle 4 equazioni di Maxwell (1873)

4 tipi di propagazione:

onde superficiali (via terra): polarizzazione verticale antenne orizzontali. Corrente alla terra viaggiano sulla superficie terrestre a grandissime distanze. Frequenze molto basse (onde cortissime)

onde “sky” (via cielo): rifratte dalla ionosfera. Onde medie e corte (frequenze 3-30MHz) a lunghe distanze. Poca potenza. Dipende dalla geografia e dall’ora (ionizzazione atmosfera)


Onde elettromagneticheIn un campo elettromagnetico,il campo elettrico ed il campo magnetico oscillano in direzioni tra loro perpendicolari ed a loro volta perpendicolari alla direzione di propagazione (onde trasversali)

La loro velocità di propagazione nel vuoto è pari a quella

della luce.


Onde elettromagnetiche



onde “free space” (senza rifrazione). UHF e VHF: alte ed altissime frequenze. Onde dirette (LOS) e riflesse dalle superfici (multipath). Caso ideale: nessun riflesso

Energia ricevuta:

G= guadagno antenna trasmittente, P= potenza trasmessa, d= distanza dalla trasmittente

Potenza ricevuta:

Gr= guadagno antenna ricevente, = lunghezza onda (frequenza)

Vale x piccole distanze e in condizioni ideali (aria secca)



onde “open field”: su terreno aperto, con somma vettoriale dei segnali (SEMPRE!). Si considerano anche le onde riflesse



Onde riflesse: sfasate (per distanze più lunghe) e attenuate

Distanza onda riflessa = distanza onda diretta +

x onda sfasata di 180° cancella la diretta

x/2(x dispari)onda in faserafforza la diretta

Caso terreno piatto:

d1

h1 d2 h2



Il segnale ricevuto dipende da vari fattori:

– Composizione chimica del terreno (H2O)

– rugosità

– polarizzazione segnale

– angolo di incidenza

– …..

Forza campo

dm dipende dall’altezza dell’antenna: antenna + alta + lontano

dm free space

open field distanza


Diffrazione Permette la comunicazione NLOS (attorno ai radio-ostacoli)

T R


Diffrazione (2)Guadagno di diffrazione: dipende dalle distanze, dall’altezza e dalla lunghezza d’onda

Dispersione (scattering): dispersione del segnale in tutte le direzioni, causa superfici radio-corrugate. Altezza critica (max differenza tra alti e bassi nella superficie - sotto è liscia):

hc= /8 cos i (i angolo di incidenza onda)

Path loss (isotropico-potenza in ricezione):

PL= Pt Gt/Gr

1/PL = PG path gain:

(nello spazio libero). In realtà non è formula


Diffrazione (3)Negli spazi reali va misurato, per scattering, attenuazioni, ecc. Buona approssimazione:

d0 distanza di rif.

d distanza

Indica l’attenuazione del segnale con la distanza.

Valori sperimentali tipici: free space n=2; open field n=4; cellulari città n tra 2.7 e 4; cellulari in ombra n tra 5 e 6; edificio (a vista) n tra 1.6 e 1.8; edificio (NLOS) n tra 4 e 6.

Esempio: WiFi ha raggio 300m outdoor e 34 m indoor. Inoltre, n fluttua nel tempo!!


Multipath + fadingSegnale ricevuto = somma (vettoriale) di tutti i segnali, diretti e riflessi indoor sono molti

variazioni potenza segnale (anche x movimenti delle persone)

distorsione in frequenza (frequency selective fading): si ricevono solo le armoniche più forti

spread del ritardo (distanze percorse sono diverse): effetto “eco”

fading totale = distorsione totale del segnale: oltre ai precedenti, anche pioggia, foglie, acqua, umidità, ecc.


Fading Flat & Rayleigh FADING

È il multipath a corte distanze distorsione in frequenza trascurabile, banda stretta : nostro caso

Due tipi: LOS e NLOS.

LOS: segnale principale forte + riflessi–outdoor open

NLOS: solo segnali riflessi-indoor e outdoor urbano

NLOS è descritto dalle equazioni di Rayleigh:

R(t) = r cos(2π fc t +θ) [ r=picco segnale, θ= fase ]

densità probabilità Rayleigh

= varianza di R(t)


Tecniche di diversityCome migliorare la qualità del segnale ricevuto (diminuire il fading)? uso di + canali “indipendenti”

space diversity: + riceventi (anche antenne) in posti diversi (antennine TV, modem, WiFi, ecc.). Si sceglie il segnale migliore (+ forte). Svantaggi: antenne anche molto distanti (tra 0.5 e 0.8 300MHz = 0.5 metri)

frequency diversity: uso di + frequenze molto diverse tra loro. Si sceglie il segnale migliore. Svantaggi: spreco di banda e di potenza

polarization diversity: uso di antenne verticali ed orizzontali . + economico ma – efficace

Tecniche anche combinabili assieme


Uso delle tecniche di diversity

In pratica, si usa il max ratio combining somma di tutti i segnali ricevuti, dopo averli riportati alla stessa fase circuiti duplicati maggior costo. Inoltre, si può ripetere il messaggio + volte

Fast fading e slow fading (in base al movimento del ricevitore). Fast: meglio 1 antenna. Slow: meglio + antenne.

La diversity aiuta? Certo! Se si vuole un errore dell’1%, si possono usare 2 canali con errore del 10% e combintati: 0.1x0.1=0.01 cioè 1%. Esempio pratico: invece di una trasmittente da 400mW ne bastano 2 da 40mW ciascuna. Costano molto meno!


Rumore (Noise)Similitudine tra acustica e trasmissioni radio

Rumore: disturbo principale (quasi) ineliminabile

Due tipi di rumore: radiazioni interferenti all’antenna e rumore elettrico nei circuiti del ricevitore

Segnali intenzionali interferenti (collisioni) e rumore non intenzionale

Rapporto segnale/rumore (SNR): diminuisce al diminuire della ampiezza di banda (ma diminuisce anche la capacità del canale si trasmette più lentamente)

Uso di codici correttori


Tipi di rumore rumore atmosferico diurno: tra 10KHz e 100MHz; <

300 microvolts/m

rumore atmosferico notturno: tra 10KHz e 70MHz; < 1000 microvolts/m

rumore cosmico (sole e stelle): tra 10 MHz e 3 GHz; tra 0.1 e 1 microvolts/m

rumore circuitale: tra 100 MHz e 10 GHz; tra 0.05 e 70 microvolts/m

rumore “umano” (campi elettromagnetici artificiali): tra 1 MHz e1 GHz; urbano: tra 10 e 700 microvolts/m; extraurbano: tra 7 e 200 microvolts/m

Ipotesi: banda ampia 10KHz e antenna dipolare.

Rumore riducibile usando antenne direzionali


Teorema del campionamento

Si definisce Nyquist rate la più alta frequenza

in un segnale continuo e limitato

Teorema del campionamento di Shannon (Claude E. Shannon, 1949): Se si raccolgono campioni con frequenza almeno doppia della frequenza di Nyquist il segnale può essere ricostruito FEDELMENTE in ogni suo punto


Tecniche di trasmissione radio: parametri

Onde radio=onde continue: come si possono usare per trasmettere 0 e 1 (in ambiente rumoroso)?

Parametri:

1temporizzazione: quanto durano?

2DC content: livello medio msg deve essere costante

3 spettro potenza: + piccolo meno rumore

4 error detection: deve essere inerente alla tecnica

5 probabilità di errore: per il SNR

6 indipendenza dalla polarità: dipende dalle inversioni di fase


Codifiche per digitaleNRZ: non-return to zero. Codifica diretta: 0=-x; 1=+x. Usata in elettronica ma non in trasmissioni radio. NON ha 4 né 5. Difficile contare 0 o 1 in lunghe sequenze di 0 o 1.

Manchester: usata in Ethernet. Buone 1 e 2. Non ha 6. Necessita di frequenza doppia rispetto a NRZ e di sincronizzazione tra trasm. e ric. (carica dei capacitori)

Biphase Mark: lo 0 non ha transizioni interne, l’1 si. Tutti hanno transizioni esterne. Proprietà come Manchester, ma con 6 in +

Ampiezza di impulso: gli 1 sono di durata doppia rispetto agli 0. Sempre transizioni esterne, anche tra simboli di ugual valore. 1,2 e 4 molto buoni


Tipi di modulazione: AM


Modulazione di ampiezza (AM)

Tipi di modulazione: FMModulazione di frequenza (FM)


Tipi di modulazione: PMModulazione di fase (PM)


Modulazioni per binario

In binario, si chiamano:

AM ASK (amplitude shift keying)

FM FSK

PM PSK

ASK: - banda, - potenza, - costo, + errori

FSK: + costo, - SNR (- errori), no segnali deboli

PSK: facile al trasm., difficile al ric. Migliore x alte prestazioni


Confronto modulazioniError rate vs bit energy: ASK = FSK

Potenza di picco e media: in FSK sono =, in ASK no problema perché esistono limiti legali (diversi per stati diversi), per dati sporadici

Per dati “continui” (voce telefonate) si usa il Pi/4 Differential PSK , oppure il Gaussian Minimum Shft Keying (in GSM), oppure CDMA (in UMTS e telefonia mobile III generazione)

Metrica per confronto: SNR = S/NoBT con S=segnale, No = densità rumore (in Watt/Hz) e BT

= banda minima x il tasso trasmissione voluto (in Hz)


Proprietà modulazioniEnergia del segnale (in Joules): E=S/R R=data rate

No = K T = 1,38 10exp-23 T K=costante di Boltzmann, T= temperatura equivalente = rumore termico in resistenza a temperatura T. Esempio: se T=18° No = 4x10exp-21 W/Hz = -174 dBm/Hz

Si cercano modulazioni che portino a: – banda + prestazioni –BER e – consumo energia (mobilità)

Banda di Nyquist = banda minima per trasmettere 1 bit senza interferenze = 1/2 bit rate max n° bits per Hz=2 banda di X KHz = 2X Kbps (in teoria)

In realtà si trasmettono simboli e non bits


Trasmissioni paralleleSimboli = + bits in parallelo non si trasmette in binario, ma in n-ario (tipicamente n potenza di 2)

Modulazioni M-ASK, M-FSK M-PSK (M= arietà)

Esempio: QAM (quadrature amplitude modulation) fatta con ASK e PSK assieme, con cambio di fase di 90° (per M=4)


QAM


Limite capacità canaleM può essere illimitato, o esiste un limite fisico?

Canale = via di comunicazione o propagazione di un segnale

Esiste un limite fisico (teorema di Shannon-Hartley 1948):

Capacità max canale C=B log 2(1+S/N) , B=banda canale

Principio base della M-modulazione: 2 o + dati diversi modulati assieme sulla stessa frequenza e portante, sfasati di X° il BER non cambia ma si trasmettono + dati nello stesso tempo


Spread spectrumTecnica comunicazione ad “ampio spettro” inventata negli USA nel 1943 per comunicare in chiaro senza essere compresi non bisogno di codici segreti

Oggi usata per sicurezza e per diminuire la potenza dei segnali

Leggi limitano la potenza dei segnali a 10-1000 mW per diminuire le interferenze tra segnali diversi

Le trasmissioni S.S. sono permesse assieme a trasmissioni a banda stretta perché interferiscono pochissimo permesse potenze maggiori


Vantaggi spread spectrum

• Le leggi permettono potenze maggiori

• meno interferenza co-canale

• meno multipath

• Meno jamming (volontario o involontario)

• Meno intrusione (ascolti nonautorizzati)

• Permette CDMA più utenti nello stesso canale

4 tipi di spread spectrum: FHSS, DSSS, Chirp, THSS


Frequency Hopping Spread Spectrum

Ferquency hopping spread spectrum (FHSS)

Si salta velocemente di frequenza (su decine di frequenze). Banda = numero delle frequenze x ampiezza di ciascuna. Ordine frequenze saltate = codice.

Fast e Slow FHSS: fast + salti in un bit; slow + bits x salto


Direct Sequence Spread Spectrum

Direct sequence spread spectrum (DSSS)

Segnale modulato con 1 codice, con bit rate codice > bit rate dati

Prima si modula (moltiplica) la portante con un codice, poi si modula la risultante con i dati. Gli elementi del codice sono i “chip”s


Chirp e THSSChirp

Un chirp è un segnale nel quale la frequenza varia linearmente con il tempo, crescendo (up-chirp) o decrescendo (down-chirp)(tipo FM)

THSS

Time Hopping Spread Spectrum: intervalli tra i segnali modulati di lunghezza variabile con microimpulsi di durata dell’ordine dei nanosecondi. Lunghezza intervalli = codice


Confronto tra i metodi SSQuale è meglio?

FHSS consuma meno potenza di DSSS

FHSS ha minor data rate di DSSS

FHSS è più veloce nella codifica di DSSS

FHSS è più immune dalle interferenze di DSSS

FHSS è meno flessibile di DSSS

THSS era proibito per legge fino a poco tempo fa

Si possono usare anche più metodi assieme


INFRAROSSILunghezze d’onda tra 0.78 m e 1000 m (1 mm), cioè frequenze tra 300 GHz e 384615 GHz

Infrarossi prodotti da oscillazioni di molecole. Divisi in 3 bande:

NEAR: tra 0.78 m e 2.5 m tra 12.800 e 4000 onde x cm

MIDDLE: tra 2.5 m e 50 m tra 4000 e 200 onde x cm

FAR: tra 50 m e 1000 m tra 200 e 10 onde x cm produce calore


INFRAROSSI (2)Per le comunicazioni, si usa la near: costa molto poco (i telecomandi la usano) LED (tra 0.78 m e 1 m) e fotodiodi (fotocellule)

Principi di comunicazione simili a quelli radio, ma + semplici: non ci sono guadagni di antenna, multipath, perdite di potenza, ecc.

Unità di misura potenza IR: mW/sr sr= steradian

Lo steradiante (simbolo sr; nome derivante dal Greco stereos, solido) è l'unità di misura del Sistema internazionale per l'angolo solido, il corrispondente tridimensionale del radiante.


Steradiante Steradiante = angolo solido, con vertice al centro di una sfera di raggio r, che sottende una calotta sferica di area A pari a quella di un quadrato di lato r.

Area sfera = 4πr2, area della calotta sottesa = r2, l'intera sfera sarà sottesa da un angolo solido di misura 4 sr


Calcolo steradiantiAngolo solido S S=A/R*R steradianti

Siccome A=2R*R(1-cos ) S= 2(1-cos )

Ad 1 mt 1 angolo di 1 sr sottende un’area di 1 mt quadro

Per piccoli angoli, A può essere approssimata con un disco e non una calotta. In questo caso S=r*r/R*R (r=raggio disco). Es.: =15° S=2(1-cos 15°)=0.214

I LED funzionano come antenne

direzionali ad angolo molto stretto:<15°

Caduta potenza come R*R


Fotodiodi


Fotodiodi di diversa sensibilità (in W/cm*cm). Esempio: se LED emette a 40 mW/sr ad 1 mt si riceve 40 mW/m*m= 4 W/cm*cm.

La potenza ricevuta dipende dall’angolo di incidenza e dalla sensibilità alla lunghezza d’onda

Distanza max segnale IR ricevibile:

Ee = irradianza

Si può aumentare moltissimo usando lenti focalizzanti (vedi telecomandi) e usando superfici IR riflettenti (alluminio)

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