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F. Benedetto – G. Giunta Corso di Telecomunicazioni A.A. 2006/2007

Elementi di Reti per Telecomunicazioni(Parte IV) –Wireless LAN: IEEE 802.11, BLUETOOTH

Corso di Telecomunicazioni

Anno Accademico 2006/2007


Contenuti

Introduzione: le trasmissioni wireless.

IEEE 802.11-Wireless LAN, caratteristiche, livello fisico e sottolivello MAC

IEEE 802.15-BLUETOOTH, caratteristiche, livello fisico e sottolivello MAC


Storia delle Trasmissioni Wireless 1/2

• 1896: telegrafia wireless, invio e ricezione di codici di Morse (Marconi).

• 1907: primo servizio wireless su rotte transatlantiche (stazioni base ingombranti e uso di antenne di grandi dimensioni 30x100m).

• 1920: Marconi scopre le trasmissioni ad onde corte (lunghezza d’onda < 100m).

• 1935: prima telefonata intercontinentale.

• 1946: primo servizio pubblico telefonico in 25 metropoli USA (larghezza di banda di 120 KHz in modalità half-duplex).

• 1950: la FCC raddoppia il numero di canali mobili limitando la larghezza di banda della radio-frequenza a 60 KHz e nel 1960 a 30 KHz.

• 1968: la AT&T sottomette alla FCC il concetto di telefono cellulare.


Storia delle Trasmissioni Wireless 2/2

• 1976: 543 utenti, allocati su 12 canali, sono stati serviti dal sistema mobile NY BELL.

• 1982: viene creato l’European Global System for Mobile Communications (GSM).

• 1983: la FCC alloca 666 canali duplex per la trasmissione AMPS (Advanced Mobile Phone System, 40 MHz in una banda di 800 MHz con canali di larghezza 30 MHz).

• 1989: la FCC rilascia altri 166 canali per la trasmissione AMPS.

• 1991: nascita del sistema IS-54 (sistema digitale cellulare US, USDC): tre utenti per canale larg 30 MHz, successivamente viene raddoppiato il numero di utenti per canale.

• 1994: nascita del sistema IS-95 con accesso a divisione di codice: CDMA (code division multiple access).


Wireless Data

Possiamo riassumere i punti fondamentali che hanno segnato questa tecnologia:

•Nomadicità dell’utente•Velocità di trasferimento dati comparabile alle reti wired•Costi di gestione ridotti•Interoperabilità degli apparati di diversi produttori

Ovviamente ci sono delle limitazioni nell’utilizzo di queste reti che possiamo riassumere con:

•Area di copertura radio limitata•Possibilità di utilizzo limitate da ostacoli fisici


Caratteristiche

•La caratteristica desiderabile che una rete wireless deve avere è sicuramente la mobilità.

•L’obiettivo finale di una comunicazione mobile è, ovviamente, garantire un determinato livello di qualità del servizio (QoS).

•La progettazione di una rete wireless deve ovviamente essere un trade-off tra le varie caratteristiche che si incontrano corrispondentemente agli strati della pila ISO/OSI ed il livello di QoS garantito.

AP

Stazione 2

Stazione 1

Pc-card 1Pc-card 2


Pro e Contro

Vantaggi:- Installazione non invasiva adatta a particolari edifici o situazioni- Installazione e configurazione veloci e semplici- Flessibilità e scalabilità ottimali- Riduzione costi di esercizio a lungo termine- Mobilità delle stazioni

Svantaggi:- Interferenza- Cammini multipli (multipath)- Consumo energetico- Sicurezza- Throughput


Applicazioni

Applicazioni:- Estensione di reti locali- Interconnessione fra edifici- Connettività per l’utenza in movimento- Connettività in ambienti non adatti al cablaggio- Connessione di rete ad hoc

Classificazione:in base alla copertura geografica:

- WPAN- WLAN- WWAN

in base alla tecnologia su cui sono basate:- Infrarosso- Dispersione di spettro (FHSS, DSSS)- Microonde in banda stretta (con o senza licenza)


Classificazione di Reti Wireless


Reti Wireless


Standard Wireless

SourceSource: M. D: M. Dèècina, 2004cina, 2004

MobileFiMobileFi802.20802.20

UMTSUMTS

10 10 kbitkbit/s/s 100 100 kbitkbit/s/s 1 1 MbitMbit/s/s 10 10 MbitMbit/s/s 100 100 MbitMbit/s/s

UltraWideBandUltraWideBand802.15.3802.15.3BluetoothBluetooth

802.15.1802.15.1

1 1 GbitGbit/s/s

ZigBeeZigBee802.15.4802.15.4

EDGEEDGEGPRSGPRSGSMGSM

1 1 kbitkbit/s/s

CABLECABLEREPLACEMENTREPLACEMENT

HOME, OFFICEHOME, OFFICE

PUBLIC ACCESSPUBLIC ACCESS

CITY,CITY,SUBURBSSUBURBS

COUNTRY,COUNTRY,REGIONREGION

WIDEWIDE

Bit RateBit Rate

HSDPAHSDPA

PANPAN

WLANWLAN

WMANWMAN

WANWAN

WiWi--FiFi802.11b802.11b 802.11a/g/n802.11a/g/n

WiMAXWiMAX802.16a/e802.16a/e

LIMITED

LIMITED

FULL

FULL

Mobility

Mobility

Rang

eRa

nge


Accesso al Mezzo Trasmissivo

• Utilizzano onde elettro-magnetiche (EM) ad alta frequenza, infrarossi (IR) o radio-frequenze (RF) per trasmettere informazioni da un punto ad un altro.

• Le trasmissioni radio multi-portanti possono coesistere nelo stesso spazio fisico, nello stesso istante, senza interferenza, trasmettendo a differenti frequenze (FDMA) in differenti intervalli temporali (TDMA) o utilizzando codici specifici per ogni messaggio (CDMA).

Frequenza

Tempo

CDMAFrequenza

Tempo

TDMA

Frequenza

Tempo

FDMA


Coesistenza di più comunicazioni contemporaneeMultiplazione FDMA, TDMA e CDMA

FDMA

TDMA

CDMA

time

time

time

pow

er

pow

er

pow

er

frequency

frequency

frequency

Mobile Station

Base Station

Mobile StationMobile Station

Mobile Station

DL

UL

La condivisione del canale radio da parte di più comunicazioni contemporanee trova una molteplicità di soluzioni Obiettivo: efficienza nell’uso della risorsa rispetto ai profili di traffico


Ambiti di utilizzo della tecnologia WirelessIl raggio di copertura come dimensione fondamentale

WAN WAN-MAN

MAN

Pico-Cell

MAN-LAN PAN

LAN-PAN

0km~50km ~2km ~10m

Personal Operating Space

regional

metropolitan area

campus-based

in-house

verticalhandover

horizontalhandover

Integrazione di reti eterogeneefisse e mobili con tecnologiedifferentiTecnologie differenti rispondono

in modo ottimale alle diverse esigenze (distanza, mobilità, caratteristiche del canale, …):

Si rende necessaria una funzione di interlavoro trasparente tra i diversi segmenti di rete operanti con soluzioni eterogenee


Contenuti





Standard per Reti WLAN

Lo Standard IEEE 802.11 (1997) definisce per le WLAN:

- Pila di protocolli e livello fisico- Servizi- Protocollo del sottolivello MAC- Struttura del frame

Tre diverse implementazioni del livello fisico

- Infrarosso (Diffuse Infrared)- Frequency Hopping Spread Spectrum (FH/SS)- Direct Sequence Spread Spectrum (DS/SS)


Standard IEEE 802

• Nasce nel 1997, ed è stato aggiornato nel 1999 (IEEE 802.11-1999) e adottato anche dall’OSI come 8802-11:1999.

• Prevede diversi sottogruppi:» 802.11D: Additional Regulatory Domains» 802.11E: Quality of Services» 802.11F: Inter-Access Point Protocols (IAPP)» 802.11G: Higher data Rates at 2.4 GHz» 802.11H: Dynamic Channel Selection and Transmission Power Control» 802.11i: Authentication and Security

• Due gli standard a livello fisico definiti ad oggi– 802.11b: opera a 2.4 GHz ed è il più diffuso– 802.11a: opera a 5 GHz con velocità più elevate


Sviluppo degli Standard IEEE 802

100

200-1000

160-3200

100

Potenza (mW EIRP)

30..100

30..150

30..150

30..80

Range(m)

545.15-5.725Approvato ‘99802.11a

542.4-2.483,5In esecuzione802.11g

1-112.4-2.483,5Approvato ’99 Corretto ‘01802.11b

1–22.4-2.483,5Approvato ’97 Obsoleto802.11

Velocità(Mbit/s)

Banda Frequenza

(Ghz)Stato


Protocolli Wired e Wireless-Pila ISO/OSI


WLAN IEEE 802.11- Scopi ed Obiettivi

“To provide wireless connectivity to automatic machinery, equipment or stations that require rapid deployment, which may be portable or hand-held,

or which may be mounted on moving vehicles within a local area”

Lo standard stabilito per essere usato nella Banda Industriale, Medica e Scientifica (ISM), alle frequenza 902-928 MHz, 2400-2483.5 MHz e 5725-5850 MHz.Nella banda ISM a 2.4 GHz, 802.11 presenta due standard per il livello fisico: - uno con tecnica di accesso al mezzo FH/SS (Frequency Hopping Spread Spectrum);- l’altro con tecnica DS/SS (Direct Sequence Spread Spectrum).

Un’alternativa è utilizzare a livello fisico la tecnologia infrarossi (IR).

Le stazioni 802.11 operanti con una delle tre tecnologie menzionate possiedono un data-rate di 1Mbit/s (opzionalmente raggiungono il valore di 2Mbit/s).


Componenti di Rete

WLAN 802.11: basata su una architettura cellulare

- La cella, detta BSS (Basic Service Set), è un’insieme di stazioni.- Le stazioni vengono controllate tramite una coordination function.

Componenti 802.11- Stazione (STA): terminale con meccanismi di accesso al mezzo wireless e contatto radio con l’access point.- Basic Service Set (BSS): gruppo di stazioni che utilizzano la stessa frequenza radio.- Access Point (AP): stazione integrata nella WLAN e nel sistema di distribuzione- Portale: bridge ad altre reti (wired).- Distribuition System (DS): rete di interconnessione per formare una rete logica (ESS: Extendend Service Set) basata su diversi BSS.


WLAN IEEE 802.11- Architettura di Rete

Architettura gerarchica

- Elemento base BSS: set di stazioni STA controllate da una unica Coordination Function.- Una BSS indipendente è l’esempio base di rete 802.11: è una rete ad-hoc e consiste almeno di due stazioni.

Un portale è il punto logico (bridge) dove una rete LAN non-IEEE 802.11 è connessa al DS. E’ quindi permessa la comunicazione tra differenti tipi di LAN.


WLAN IEEE 802.11- Servizi di Rete

I servizi sono suddivisi in due categorie:- Station Services (SS).- Distribution System Services (DSS).


WLAN IEEE 802.11- Relazione tra i Servizi


WLAN IEEE 802.11- Protocollo MAC

Il livello MAC gestisce e mantiene le comunicazioni tra le STA, coordinando l’accesso al mezzo trasmissivo condiviso. Lo strato MAC definisce due metodi d’accesso:

- Distributed Coordination Function (utilizzato)- Point Coordination Function

Il primo dei due sfrutta un meccanismo di accesso che si basa sul concetto di CSMA/CA.

Il secondo prevede che un’entità logica detta Point Coordinator (PC), che risiede nell’AP della BSS, stabilisca istante per istante mediante un’operazione di polling quale STA sia autorizzata a trasmettere.


Protocollo CSMA

L’accesso distribuito è basato sul metodo di accesso CSMA/CA:

CS (Carrier Sense) – ascolto del canale prima di trasmettereMA (Multiple Access) – consente l’accesso multiplo sullo stesso canaleCA (Collision Avoidance) – meccanismo che cerca di evitare le collisioni


Terminale Nascosto

• Difficoltà nel rilevare le collisioni negli ambienti radio. Mentre si trasmette non è possibile anche rilevare le collisioni non si può utilizzare la tecnica CSMA/CD (mentre trasmette ascolta).• Nelle reti wireless è possibile il verificarsi del problema definito come HiddenNode o Stazione Nascosta.• Non tutte le stazioni che appartengono alla stessa LAN possono “sentire” le altre, con il rischio che si verifichino collisioni.

STA1 STA2STA3

AP1


WLAN IEEE 802.11- CSMA/CAPrenotazione esplicita del canale

Sorgente-Verifica che il canale sia libero per un tempo specificato (DIFS).- Se il canale è libero invia RTS (Request to Send).- Tale messaggio, più piccolo e meno costoso, contiene informazioni come: la sorgente, la destinazione, tempo trasmissione (invio dati + ricezione ACK).

Destinazione- Quando riceve RTS controlla se il canale è libero per un prefissato periodo di tempo (SIFS).- Se il canale è libero invia alla sorgente il messaggio CTS (Clear to Send), poco costoso perché piccolo ed include le stesse informazioni dell’RTS.- Qualunque stazione che riceve un RTS o CTS setta il NAV (Network Allocation Vector) al valore del campo durata nel frame di dati, RTS o CTS.- Con l’invio di RTS e CTS si riduce l’overhead di collisione (costano meno di un intero pacchetto).- In trasmissioni di brevi pacchetti si può omettere l’invio dei messaggi RTS/CTS.


WLAN IEEE 802.11- CSMA/CA

Sorgente Destinazione

DIFS

RTS

DATADIFS

SIFS

CTS

SIFS

ACK

DIFS


WiFi: SommarioNon solo rete LAN senza fili

Tecnica di accesso CSMA/CA

Temi critici:

Sicurezza: wardriving

VoWLAN: VoIP over WLAN

Standard 802.11

802.11a mod. OFDM in banda 5 GHz, 6-54 Mbps

802.11b mod. DSSS in banda 2.4 GHz, 5.5 e 11 Mbps

802.11c supplemento per funzionalità di bridge

802.11d adattamento a differenti contesti regolatori

802.11e introduzione della QoS

802.11f protocollo tra AP

802.11g modulazione OFDM (altre modalitàpreviste) in banda 2.4 GHz, 54 Mbps

802.11h arricchimenti di 802.11a per gestione spettro e potenza

802.11i arricchimenti di sicurezza

802.11j arricchimento di 802.11a in banda 4.9-5.0 GHz per Giappone

802.11k gestione della risorsa radio

802.11m correzioni e chiarimenti tecnici

802.11n arricchimenti per l’alta velocità


Contenuti





Wireless PAN (Personal Area Networks)

•La prima rete WPAN fu sviluppata a metà degli anni ’90. Era una rete di piccole dimensioni, bassa potenza, larghezza di banda modesta e con copertura radio di circa 2 metri.

•Altro interessante aspetto della tecnologia Bluetooth consiste nel limitato consumo di energia.

•Utilizzano tecnologie a radio-frequenze (RF) simili alle WLAN ma disegnate per offrire comunicazioni su aree di copertura meno vaste.

•Bluetooth (IEEE 802.15) è stato selezionato come lo standard per tali comunicazioni.

•Il gruppo IEEE 802.15 si occupa di sviluppare standard per comunicazioni mobili wireless a breve distanza.


BLUETOOTH

- Si tratta di un tipo di rete studiata per l’interconnessione di apparati (pc con stampanti, modem, telefoni fissi e cellulari, …) all’interno di una stanza o comunque di un ambiente di piccole dimensioni.

-L’estensione della rete dovrebbe quindi essere intorno alla decina di metri, ma lo standard prevede anche apparati con potenze sufficienti a raggiungere la distanza di copertura di 50 metri (portandosi a competere con 802.11).


BLUETOOTH

- Vantaggi: non c’è interferenza con apparati Wi-Fi, bassissima potenza di trasmissione, consumi di potenza ridotti (lungo tempo). Dimensioni ridotte dei chip.

- Svantaggi: limitata copertura radio: ~10 metri, poca banda disponibile: <1 Mbps. Mantenimento trasmissioni contemporanee. Costi elevati rispetto alle altre wirelesslocali.


Servizi

Sono previsti due tipi di servizi:

– Syncnronous Connection Oriented (SCO)– Asynchronous Connectionless (ACL)

La rete è organizzata in gruppi di stazioni dette “piconet”:

• Ogni piconet vede una stazione assumere il ruolo di master e le altre di slave.

• Il master fornisce il sincronismo e coordina le trasmissioni interrogando ciclicamente (polling) gli slave.


Gestione del Traffico

-TDD (Time Division Duplex), Tecnologia impiegata nella gestione del traffico asimmetrico nell'UMTS come ad esempio la navigazione su internet, offre una mobilità limitata.

- Riconoscimento automatico di un altro dispositivo non appena entrambi si trovano sulla stessa piconet. Nel caso di più piconet che formano una scatternet,è disponibile anche la funzionalità di roaming.

- Bluetooth permette di gestire sia fonia che dati, utilizzando una trasmissione a pacchetto su rete radio per i dati e una modalità connection-oriented per la voce.


Scatternet

I dispositivi dotati di questa tecnologia comunicano tra loro creando e riconfigurando dinamicamente delle reti ad hoc (piconet) composte da un massimo di otto nodi. Più picoreti possono a loro volta connettersi ed espandersi creando delle scatternet.

Un dispositivo può partecipare a più Piconet contemporaneamente (time-shared)


Gestione delle Piconet

SDP - Service discovery protocol - permette ad un dispositivo di determinare quali sono i servizi che gli altri apparecchi presenti nella picorete mettono a disposizione.

Scansione - Con la prima connessione di un dispositivo avviene la scansione di tutti i nodi presenti. Supporta un collegamento punto a punto ( point to pont ) e multi punto ( multipoint ).

La modalità di interconessione dinamica consente di sincronizzare i dati tra due apparecchi automaticamente.


Canalizzazione

79 canali da 1 MHz( f = 2402+K MHz; K = 0,1,….78)

Frequency hopping (1600 hop/s) per evitare gli effetti di interferenze (inter-piconet BT, WiFi, …); tutte le unità che partecipano alla piconet sono sincronizzate al canale in termini di tempo e frequenza (“saltano” sulle stesse frequenze negli stessi istanti”)


Canalizzazione

L’asse dei tempi è diviso in time slot di 625µs: si permane sulla stessa frequenza per uno, o tre o cinque time slot.


Comunicazione Master-Slave

Master: stazione che stabilisce il collegamento.

Slave: stazioni individuate dal Master nella fase di Inquiry (fase di Inquiry: ricerca delle stazioni collocate nelle vicinanze).

Strategia di comunicazione MASTER-SLAVE:

1. Accesso al mezzo controllato dal Master (polling)

2. Trasmissione del Master negli slot pari

3. Trasmissione degli Slave negli slot dispari


Tipi di Collegamento

COLLEGAMENTO SCO (SynchronousConnection-Oriented):

•Simmetrico, supporta servizi sincroni, slot riservati

COLLEGAMENTO ACL (AsynchronousConnection-Less):

•Asimmetrico, supporta servizi asincroni, polling


Bluetooth: SommarioNata da un progetto Ericsson del 1984 per la sostituzione dei cavetti (King Harold Blatand, o Bluetooth, Re di Danimarca (940-981))

Bluetooth SIG (oltre 2500 aziende)

IEEE 802.15.1 del 2002 ha recepito la BT 1.2

Velocità fino a 1Mbps

Spettro 2.4 GHz ISM: 79 MHz di banda = 79 nella gamma 2.402 – 2.480 GHz

Frequency Hopping & TDD

Consumo batteria in ore

Ritardo > 3s

Comunicazioni punto-punto

Classe Distanza Potenza

Class I 50 - 100 m 100 mW

2.5 mW

1 mW

Class II 30 m

Class III 10 m

Per le comunicazioni voce: (SCO - SynchronousConnection Oriented)

FEC (forward error correction), assenza di ritrasmissioni, 64 kbps duplex, punto-punto a circuito

Per le comunicazioni dati: (ACL - AsynchronousConnectionLess)

Asincrono, acknowledge rapido, punto-multipunto, fino a 433.9 kbps simmetrico o 723.2 kbps asimmetrico a commutazione di pacchetto

Comunicazioni in rete:I nodi sono raggruppati in piconet

Ciascuna piconet ha un master e fino a 7 slave (polling)

Capacità condivisa di 720kbps a 10m

Più piconet connesse tra loro formano una scatternet

Sicurezza opzionale

cifratura e autenticazione

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