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Dott.ssa Chiara PetrioliDott.ssa Chiara Petriolia.a 2007/2008a.a 2007/2008
Università di Roma “La Sapienza”Corso di Laurea Specialistica in Informatica
Reti Avanzate Sistemi wireless Reti Avanzate Sistemi wireless (lezione introduttiva congiunta)(lezione introduttiva congiunta)
Si ringraziano per questo materiale Il Prof. Antonio Capone, Politecnico di Milano e il Prof. Giuseppe Bianchi, Universita’ di Tor Vergata
1 - Introduzione al corso1 - Introduzione al corso
Reti AvanzateReti Avanzate
Università di Roma “La Sapienza”Corso di Laurea Specialistica in Informatica
3
Il docenteIl 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
4
Scopo del corso—Reti AvanzateScopo del corso—Reti Avanzate Fornirvi conoscenze sulla tecnologia ed i
protocolli utilizzati nelle
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
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
53
4G Scenario4G Scenario
MAR : Mobility Aware Router
: Mobile Client
: Mobile Client issuing handover
: MAR coverage area: wireless cellSession HandoverSession Handover
MARjCoverage Area
MARiCoverage Area
MAR jMAR
i
MC IDx
Wireless cell
INTERNET
Wireless
Access Point
PLMN
AP
Hotspot802.11
Ad Hoc access (BT-IEEE 802.15)
Scenario di riferimento ad oggiScenario di riferimento ad oggi
WIMAX
Ambientintelligence
63
4G Scenario4G Scenario
MAR : Mobility Aware Router
: Mobile Client
: Mobile Client issuing handover
: MAR coverage area: wireless cellSession HandoverSession Handover
MARjCoverage Area
MARiCoverage Area
MAR jMAR
i
MC IDx
Wireless cell
INTERNET
Wireless
Access Point
PLMN
AP
Hotspot802.11
Ad Hoc access (BT-IEEE 802.15)
Scenario di riferimento ad oggi-RAScenario di riferimento ad oggi-RA
WIMAX
Ambientintelligence
-Introduzione alle reti radiomobili-sistemi cellulari di seconda e terza generazione-Come pianificare un sistema cellulare
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4G Scenario4G Scenario
MAR : Mobility Aware Router
: Mobile Client
: Mobile Client issuing handover
: MAR coverage area: wireless cellSession HandoverSession Handover
MARjCoverage Area
MARiCoverage Area
MAR jMAR
i
MC IDx
Wireless cell
INTERNET
Wireless
Access Point
PLMN
AP
Hotspot802.11
Ad Hoc access (BT-IEEE 802.15)
Scenario di riferimento ad oggi-Reti AvanzateScenario di riferimento ad oggi-Reti Avanzate
WIMAX
Ambientintelligence
-802.11-Estensione delle reti cellulari: Reti Ad Hoc- TCP over wireless-Sicurezza delle reti radio: problematiche e soluzioni
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4G Scenario4G Scenario
MAR : Mobility Aware Router
: Mobile Client
: Mobile Client issuing handover
: MAR coverage area: wireless cellSession HandoverSession Handover
MARjCoverage Area
MARiCoverage Area
MAR jMAR
i
MC IDx
Wireless cell
INTERNET
Wireless
Access Point
PLMN
AP
Hotspot802.11
Ad Hoc access (BT-IEEE 802.15)
Scenario di riferimento ad oggi-Sistemi wirelessScenario di riferimento ad oggi-Sistemi wireless
WIMAX
Ambientintelligence
-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)
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Scenari emergenti– sistemi embeddedScenari 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
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Scenari emergenti– sistemi embeddedScenari 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, …
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Scenari emergenti– sistemi embeddedScenari 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, …
Buona notizia: tutte queste ditte vedono la differenzatra un laureato triennale e specialistico
Buona notizia 2: concrete possibilità di specializzarviin questo settore
12
Laboratorio interdipartimentaleLaboratorio interdipartimentale
13
Attività in corsoAttività 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 WSNTest-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
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Attività in corsoAttività 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 WSNTest-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(applied to assisted living)
-Middleware to optimize performance andhandle heterogeneity in WSNs
-Implementation and test of protocols designed for heterogeneous
environments-Multiradio heterogeneous devices
15
Embedded Systems—testing infrastructureEmbedded Systems—testing infrastructure
16
Embedded Systems—testing infrastructureEmbedded Systems—testing infrastructure
Possibilità di attività complementari all’interno del laboratorioBorse di studio per attività all’interno del laboratorio e/o per
contribuire alla realizzazione del test-bed (prox mesi)
Introduzione alle Reti RadiomobiliIntroduzione alle Reti Radiomobili
Reti AvanzateReti Avanzate
Università di Roma “La Sapienza”Corso di Laurea Specialistica in Informatica
Scenario di riferimento Diversi modelli di reti radio mobili e brevestoria delle reti radiomobiliCaratteristiche delle reti radiomobili
Errori nella trasmissione Risorse (banda/energia) limitate Medium Access Control Gestione della mobilità
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Reti WirelessReti 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?
Meglio wireless o wired?
wiredwire-less
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CaratteristicheCaratteristiche 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
20
Penetrazione dell’accesso wireless e Penetrazione dell’accesso wireless e dell’accesso a Internetdell’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
213
4G Scenario4G Scenario
MAR : Mobility Aware Router
: Mobile Client
: Mobile Client issuing handover
: MAR coverage area: wireless cellSession HandoverSession Handover
MARjCoverage Area
MARiCoverage Area
MAR jMAR
i
MC IDx
Wireless cell
INTERNET
Wireless
Access Point
PLMN
AP
Hotspot802.11
Ad Hoc access (BT-IEEE 802.15)
Argomenti trattati in RAArgomenti trattati in RA
WIMAX
Ambientintelligence
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Modelli di Reti WirelessModelli di Reti Wireless 1) Reti con punto di accesso fisso (cellulari)
Rete fissaRete fissa
Solo collegamenti terminale mobile – punto di accesso fisso
23
Architettura di una rete radioArchitettura di una rete radio(rete cellulare)(rete cellulare)
rete d’accesso
rete di trasporto
wired
wireless
24
Reti WirelessReti Wireless 2) Reti wireless ad-hoc (Wireless LAN)
Anche collegamenti mobile- mobile
nella modalità multi-hop i mobile hanno funzionalità di inoltro dei pacchetti
25
Motivazioni dei sistemi cellulari/delle reti radioMotivazioni 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 fissaRete fissa
26
Organizzazione della prima parte del corsoOrganizzazione 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
27
Requisiti di sistemi radiomobili cellulariRequisiti 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”
28
Problemi e limitazioniProblemi 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 …..
29
Rete telefonica – Rete cellulareRete telefonica – Rete cellulare Cosa c’è di diverso in una rete cellulare che offre
un servizio di telefonia (mobile)?
Cosa c’è di diverso in una rete cellulare che offre un servizio di telefonia (mobile)?
Rete d’accesso canale wireless mezzo trasmissivo condiviso e non dedicato
Centaletelefonica
Doppino telefonico
CanaleRadio
Mezzo radio ha bandalimitata ed è condiviso tra più utenti
30
Rete telefonica – Rete cellulareRete telefonica – Rete cellulare Cosa c’è di diverso in una rete cellulare che offre
un servizio di telefonia (mobile)?
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 sorgentesorgente
13 kb/s (GSM)
Mezzo radio ha bandalimitata ed è condiviso tra più utenti
31
Copertura CellulareCopertura 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
BaseStation
MobileStation
CellaCella=Area di coperturadi una BS
IDEA=RIUSO dellefrequenze
Mezzo radio ha bandalimitata ed è condiviso tra più utenti
32
Rete telefonica – Rete cellulareRete telefonica – Rete cellulare Cosa c’è di diverso in una rete cellulare che offre
un servizio di telefonia (mobile)?
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
33
Abbiamo quindi risposto alle necessità Abbiamo quindi risposto alle necessità relative a 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)
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Rete CellulareRete Cellulare La rete cellulare è costituita anche da una parte “fissa”
che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità degli utenti
BaseStation
MobileStation
PLMNPublic Land Mobile Network
Accesso RadioAccesso Radio
Esempio: set up chiamata, gestione mobilità
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Rete CellulareRete Cellulare La rete cellulare è costituita anche da una parte “fissa”
che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità degli utenti
BaseStation
MobileStation
PLMNPublic Land Mobile Network
Accesso RadioAccesso Radio
Esempio: set up chiamata, gestione mobilità
Un messaggio inviato può essereascoltato da tutti i dispositivi nelraggio trasmissivo del senderProblematiche di sicurezza:-autenticazione (l’utente che accede alservizio ha il diritto di farlo?)-cifratura (per proteggere la confidenzialitàdei dati trasmessi)
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Rete CellulareRete Cellulare La rete cellulare è costituita anche da una parte “fissa”
che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità degli utenti
BaseStation
MobileStation
PLMNPublic Land Mobile Network
Accesso RadioAccesso Radio
Esempio: set up chiamata, gestione mobilità
Come si allocano le risorse per unachiamata? Come si decide quale chiamata deve essere accettata e qualerifiutata nel caso di risorse radio limitate?
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Rete CellulareRete Cellulare La rete cellulare è costituita anche da una parte “fissa”
che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità degli utenti
BaseStation
MobileStation
PLMNPublic Land Mobile Network
Accesso RadioAccesso Radio
Esempio: set up chiamata, gestione mobilità
Come faccio a sapere dove si trova un utente(e quindi come istradare una chiamata versodi lui?)Come faccio a mantenere attiva una chiamatanel caso in cui il movimento di un utente inConversazione gli faccia cambiare cella?
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Rete telefonica – Rete cellulareRete telefonica – Rete cellulare Cosa c’è di diverso in una rete cellulare che offre
un servizio di telefonia (mobile)?
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
CanaleRadio
vedremo piu’ avanti
100100
100110
pacchettotrasmesso
pacchettoricevuto
Interferenze
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Rete telefonica – Rete cellulareRete telefonica – Rete cellulare Cosa c’è di diverso in una rete cellulare che offre
un servizio di telefonia (mobile)?
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 radionecessario per tx/rx pacchetti)
Help!No energy!!
40
Reti WirelessReti 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
41
Problematiche nelle reti ad hocProblematiche nelle reti ad hoc
Il mezzo radio è condivisonecessità di protocolli di medium access control
42
Problematiche nelle reti ad hoc-MACProblematiche nelle reti ad hoc-MAC
Hidden terminalSe A e B trasmettono un pacchetto si verifica una collisione in D di cui né A né B possono accorgersi direttamente
A B
D
43
Problematiche nelle reti ad hocProblematiche 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)
A
B
44
Problematiche nelle reti ad hocProblematiche nelle reti ad hoc
Problematica unica di queste reti: Come si istradano i pacchettida A a B (routing?)
A
B
45
Problematiche nelle reti ad hocProblematiche nelle reti ad hoc
Problematica unica di queste reti: Come si istradano i pacchettida A a B (routing?)
A
B
Come gestiamo il route maintenance nel casoDi mobilità (anche elevata dei nodi ?)
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Problematiche nelle reti ad hocProblematiche nelle reti ad hoc
Scelte che possono minimizzare il consumo energetico a tutti i livelliDello stack protocollare:controllo di potenza, MAC, data link, routing
Help!No energy!!
Come istradare i pacchettiminimizzando il consumoenergetico, tenendo contodelle diverse energieresidue dei nodi
47
Problematiche nelle reti ad hocProblematiche 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!
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Rete telefonica – Rete cellulareRete telefonica – Rete cellulare Cosa c’è di diverso in una rete cellulare che offre
un servizio di telefonia (mobile)?
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
Analizziamo adesso brevemente ciascuno di questi aspetti
Quelli più legati alle problematiche di rete saranno poi ripresi in seguito
canale wireless canale wireless
mezzo condiviso mezzo condiviso
gestione della mobilità gestione della mobilità
codifica della voce codifica della voce
consumo energetico consumo energetico
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Canale WirelessCanale Wireless
risponderemo alla seguente domanda:risponderemo alla seguente domanda:-quali sono le ragioni per la presenza di errori nella trasmissione ?-quali sono le ragioni per la presenza di errori nella trasmissione ?
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Canale wirelessCanale 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)
51
The radio spectrumThe radio spectrum
52
The radio spectrumThe radio spectrum
53
Problemi nella propagazione del segnaleProblemi nella propagazione del segnale
Line of sight
Reflection
Shadowing
54
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
Problemi nella propagazione del segnaleProblemi nella propagazione del segnale
55
Attenuation phenomena for millimeter Attenuation phenomena for millimeter waves (EHF)waves (EHF)
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Spectrum allocationSpectrum allocation
57
Attenuazione del segnaleAttenuazione del segnale
Signal power
Distance BS MS
58
Slow fading – fast fadingSlow fading – fast fading
Signal power
Distance BS MS (km)
Distance BS MS (m)
slow fadingLong term fading
Fast fadingShort term fading
59
Attenuazione del segnaleAttenuazione del segnale
Signal power
Distance BS MS
Vediamo di comprendere quale la legge che consente di esprimerel’ attenuazione del segnale in funzionedella distanza
60
Canale wireless: attenuazione da distanzaCanale 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:
]W/m[4
22d
PF T
distanza d
sorgente area
61
Esempi di antenneEsempi di antenne
Graphical representation of radiation properties of an antenna
Depicted as two-dimensional cross section
side view (xy-plane)
x
y
side view (yz-plane)
z
y
top view (xz-plane)
x
z
simpledipole
side view (xy-plane)
x
y
side view (yz-plane)
z
y
top view (xz-plane)
x
z
directedantenna
62
Antenna GainAntenna 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
d distance aat density power mean
radiation maximum ofdirection in the d distance aat density power Dy Directivit
2T 4/P
radiation maximum ofdirection in the d distance aat density power G Gain
d
63
Canale wireless : attenuazione da distanzaCanale 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
]W/m[4
22d
gPF TT
64
Canale wireless : attenuazione da distanzaCanale wireless : attenuazione da distanza
La potenza al ricevitore può essere espressa come:
2
4
dggPP RTTR
dove PT rappresenta la potenza irradiata dal trasmettitore, gT e gR i guadagni delle antenne del trasmettitore e ricevitore, la lunghezza d’onda (c/f) e d la distanza tra trasmettitore e ricevitore. L>1 tiene conto degli HW losses.
1
L
65
Programma e materiale didatticoProgramma e materiale didatticoReti AvanzateReti Avanzate
Programma del corso Introduzione alle reti radio mobiliTesto: 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.
66
Programma e materiale didatticoProgramma 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
Testo: articoli forniti dal docente e disponibili sul web/scaricabili dalle digital libraries a cui ‘La Sapienza’ e’ abbonata
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Programma e materiale didatticoProgramma e materiale didatticoSistemi wirelessSistemi 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
68
Materiale didatticoMateriale 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 corsofatemi avere i vostri indirizzi e-mail
69
Modalità d’esameModalità 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
70
FINE PRIMA LEZIONE
71
Power units - decibelPower units - decibel
Decibel (dB): modo di rappresentare in maniera logaritmica i rapporti tra le potenza
21 /log10 PP
Logaritmo in base 10PA = 1 WattPB = 1 milliWatt
30 dB PA = tre ordini di grandezza piu’ grande di PB
ad esempio il guadagno dell’antenna e’ espresso in dB
72
Decibels - dBmDecibels - 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 W = 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)
73
ExampleExamplenormalized
frequency [MHz] 900 900000000speed of light [Km/s] 300000 300000000lambda (m) 0.333333333gain Tx 1Gain Rx 1Loss 1Ptx [W] 5distance (Km) Prx W Prx dBm
200 8.80E-08 -40.56400 2.20E-08 -46.58600 9.77E-09 -50.10800 5.50E-09 -52.60
1000 3.52E-09 -54.541200 2.44E-09 -56.121400 1.79E-09 -57.461600 1.37E-09 -58.621800 1.09E-09 -59.642000 8.80E-10 -60.562200 7.27E-10 -61.392400 6.11E-10 -62.142600 5.20E-10 -62.842800 4.49E-10 -63.483000 3.91E-10 -64.083200 3.44E-10 -64.643400 3.04E-10 -65.173600 2.71E-10 -65.663800 2.44E-10 -66.134000 2.20E-10 -66.584200 1.99E-10 -67.004400 1.82E-10 -67.414600 1.66E-10 -67.794800 1.53E-10 -68.165000 1.41E-10 -68.52
-70.00
-60.00
-50.00
-40.00
-30.00
0 1000 2000 3000 4000 5000
distance (m)
receiv
ed
po
wer
(dB
m)
74
Computation with dBComputation with dB
Se la potenza ricevuta èinferiore ad una certa soglia il segnale non può essere correttamente ricevuto
75
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.)
Canale wireless : attenuazione da distanzaCanale wireless : attenuazione da distanza
La2
4
dPL
76
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.)
Canale wireless : attenuazione da distanzaCanale wireless : attenuazione da distanza
La2
4
dPL
2
2
4
1,,
14
dP
P
Lgg
se
LdggP
P
P
P
R
T
RT
RTT
T
R
T
77
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.)
Canale wireless : attenuazione da distanzaCanale wireless : attenuazione da distanza
La2
4
dPL
78
Path loss (propagation loss) in dBPath loss (propagation loss) in dB
Indicata anche con Lfree nel seguito
LdGGP
P
P
P
RTT
T
R
T
14
2
79
Path loss (propagation loss) in dBPath loss (propagation loss) in dB(formula generale)(formula generale)
Indicata anche con Lfree nel seguito
Dipende dalla distanza ma anche dalla frequenza
80
Free space loss (sintesi)Free space loss (sintesi)
Se L=1, guadagni antenne=1
81
Alcune elaborazioni sulla formula Alcune elaborazioni sulla formula dell’attenuazionedell’attenuazione
2
4
dggPP RTTR
PR(d) = PR(dref) (dref/d)2
Se si conosce il valore ad una distanza di riferimento
PR(d) dBm= PR(dref)dBm +20 log 10 (dref/d)
L=1
2
Re
2
Re
2
Re 14
14
)(
)(
d
d
LdggP
LdggP
dP
dP f
fRTT
RTT
fR
R
82
Alcune elaborazioni sulla formula Alcune elaborazioni sulla formula dell’attenuazionedell’attenuazione
Loss sperimentata da un segnale tx sulla frequenza f a distanza d nella condizione di un terreno piatto senza ostacoli
2
4
dggPP RTTR
PR(d) = PR(dref) (dref/d)2
Se si conosce il valore ad una distanza di riferimento
PR(d) dBm= PR(dref)dBm +20 log 10 (dref/d)
Lfree= -20 log10 dBc/f4d( )
Lfree= -147.56+20log10(f)+20log10(d)
L=1
83
Canale wireless : attenuazione da distanzaCanale wireless : attenuazione da distanza La potenza al ricevitore nel caso di propagazione in
spazio libero può essere espressa come:
2
4
dggPP RTTR
dove PT rappresenta la potenza irradiata dal trasmettitore, gT e gR i guadagni delle antenne del trasmettitore e ricevitore, la lunghezza d’onda (c/f) e d la distanza tra trasmettitore e ricevitore. L>1 tiene conto degli HW losses.
1
L
84
Canale wireless : attenuazione da distanzaCanale wireless : attenuazione da distanza
Si può far vedere che nel semplice caso di propagazione con due raggi, uno diretto ed uno riflesso completamente...
2
221
d
hhgg
P
PTR
T
R
...il rapporto tra potenza ricevuta e potenza trasmessa assume la forma:
h2
h1
d
85
Canale wireless : attenuazione da distanzaCanale 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):
dggPP RTTR
1
4
2
86
Example scenarios: Example scenarios: LOS path non necessarily existing (and unique)LOS path non necessarily existing (and unique)
diffraction
reflection
Example: city with large buildings; No LINE OF SIGHT;Diffraction; reflection
87
Example scenariosExample scenarios
LINE OF SIGHT +Diffraction, reflection, scattering
LOS
88
Extended formulaExtended formula
89
Una parentesi. Path loss: Modelli empiriciUna 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!
90
Okumura-Hata modelOkumura-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 BSAntenna height
91
Okumura-Hata: urban areaOkumura-Hata: urban area
msbs
bs
path
hah
dh
fdBL
10
1010
10
log82.13
loglog55.69.44
log16.2655.69)(
a(hms) = correction factor to differentiate large from medium-small cities;
depends on MS antenna height
8.0log56.17.0log1.1:cities med-small
40097.475.11log2.3:cities large
1010
210
fhfha
MHzfhha
msms
msms
Very small correction difference between large and small cities (about 1 dB)
92
Okumura-Hata: urban areaOkumura-Hata: urban area
msbs
bs
path
hah
dh
fdBL
10
1010
10
log82.13
loglog55.69.44
log16.2655.69)(
a(hms) = correction factor to differentiate large from medium-small cities;
depends on MS antenna height
8.0log56.17.0log1.1:cities med-small
40097.475.11log2.3:cities large
1010
210
fhfha
MHzfhha
msms
msms
Very small correction difference between large and small cities (about 1 dB)
Lfree= 32.44+20log10(f)+20log10(d)
93
Okumura-Hata: suburban & rural areasOkumura-Hata: suburban & rural areas
Start from path loss Lp computed for small and medium cities
94.40log33.18log78.4)(:rural
4.528
log2)(:suburban
102
10
2
10
ffLdBL
fLdBL
ppath
ppath
94
Okumura-Hata: examplesOkumura-Hata: examples
80
90
100
110
120
130
140
150
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
distance (km)
pa
th lo
ss
(d
B)
large cities
small cities
suburbs
rural area
F=900MHz, hbs=80m, hms=3m
95
Slow fading – fast fadingSlow fading – fast fading
Signal power
Distance BS MS (km)
Distance BS MS (m)
slow fading
Fast fading
96
Canale wireless : fading multipathCanale 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).
97
Canale wireless : fading multipathCanale 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!
98
Canale wireless : fading multipathCanale wireless : fading multipath Il segnala
risultante può essere attenuato
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 5 10 15 20
s(t)
s(t+T)
s(t)+s(t+T)
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
0 5 10 15 20
s(t)
s(t+T)
s(t)+s(t+T)
O addirittura amplificato
T=4/5
T= /6
99
Slow fading – fast fadingSlow fading – fast fading
Signal power
Distance BS MS (km)
Distance BS MS (m)
slow fading: lognormaldistributed
Fast fading: Rayleightor Rician distributed
Se c’e’ una componente LOS
100
Rayleight fadingRayleight fading
101
Rayleight fadingRayleight fading
102
Rayleight fadingRayleight fading
103
Considerazioni sul fadingConsiderazioni sul fading
104
Canale wireless : fading multipathCanale 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)
105
EsempioEsempio
(prossima slide…)
106
EsempioEsempio
Possibilità di interferenza intersimbolica !!
107
Impulse responseImpulse response
108
Canale wireless : fading multipathCanale wireless : fading multipath La rilevanza del delay spread può essere quantificata
calcolando il suo valore quadratico medio (RMS Delay Spread):
2
1
2
1
1d
n
iiin
ii
RMS PP
n
ii
n
iii
d
P
P
1
1
con RMS RMS delay spread
i ritardo del path i
Pi potenza ricevuta path i
n numero di path
109
Canale wireless : fading multipathCanale 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
110
FINE SECONDA LEZIONE
111
Consumo energeticoConsumo energetico
112
Protocolli a basso consumo energeticoProtocolli 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.
113
Consumo energetico dell’interfaccia radioConsumo energetico dell’interfaccia radio Il transceiver puo’ essere in uno di questi stati
tx
rx
idle
asleep
Awake and transmitting
Awake and receiving
Awake, neither transmitting nor receiving
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)
114
Protocolli a basso consumo energetico per Protocolli a basso consumo energetico per l’interfaccia radiol’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
115
Protocolli a basso consumo energetico per Protocolli a basso consumo energetico per l’interfaccia radio. Esempi: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
116
Protocolli a basso consumo energetico per Protocolli a basso consumo energetico per l’interfaccia radio. Esempi: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 caratteristicheenergetiche dell’interfaccia radio per motivare queste affermazioni...
117
Energy in Radio: the Deeper Story….Energy in Radio: the Deeper Story….
Wireless communication subsystem consists of three components with substantially different characteristics
Their relative importance depends on the transmission range of the radio
Tx: Sender Rx: Receiver
ChannelIncominginformation
Outgoinginformation
TxelecE Rx
elecERFETransmit
electronicsReceive
electronicsPower
amplifier
Da Mobicom 2002 tutorialM. Srivastava, D. Estrin
118
ExamplesExamples
0
2000
4000
6000
8000
The RF energy increases with transmission range The electronics energy for transmit and receive are typically
comparable
0
100
200
300
0
200
400
600
TxelecE Rx
elecERFE TxelecE Rx
elecERFE TxelecE Rx
elecERFE
nJ/bit nJ/bit nJ/bit
GSM Nokia C021 Wireless LAN
Medusa Sensor Node (UCLA)
~ 1 km ~ 50 m ~ 10 m
Da Mobicom 2002 tutorialM. Srivastava, D. Estrin
119
Protocolli a basso consumo energetico per Protocolli a basso consumo energetico per l’interfaccia radio. Esempi: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 retihanno un raggio tramsissivo molto corto?
120
Protocolli a basso consumo energetico per Protocolli a basso consumo energetico per l’interfaccia radiol’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
121
Protocolli a basso consumo energetico per Protocolli a basso consumo energetico per l’interfaccia radiol’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
122
Accesso Radio CondivisoAccesso Radio Condiviso
123
Accesso radio condivisoAccesso 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)
124
Accesso radio condiviso: MultiplazioneAccesso 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
125
Accesso radio condiviso: MultiplazioneAccesso radio condiviso: Multiplazione
La stazione trasmittente coinvolta è unica
canale 2
canale
1 canale 3
Problema tipico della trattadownlink (forward link) di sistemi cellulari (dalla stazione base ai terminali d’utente)
Problema tipico della trattadownlink (forward link) di sistemi cellulari (dalla stazione base ai terminali d’utente)
126
Accesso radio condiviso: Accesso MultiploAccesso radio condiviso: Accesso Multiplo 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)
canale
1
canale 2canale 3
Problema tipico della tratta uplink (reverse link) di sistemi cellulari (dai terminali d’utente alle stazioni base)
Problema tipico della tratta uplink (reverse link) di sistemi cellulari (dai terminali d’utente alle stazioni base)
Nota che è necessaria anche una tecnica per la divisione tra canali uplink e canali downlink (tecnica di duplexing)
Necessita’ di protocolli di MAC (esempio:FDMA/TDMA)
vedi corso di Reti 1 vedi corso di Reti 1
127
Accesso radio condiviso: Accesso radio condiviso: Multiplazione/Accesso MultiploMultiplazione/Accesso Multiplo
AM
Nodo 1
AM
Nodo 4
AM
Nodo 3
AM
Nodo 2
Canale broadcast
MPX DMPX
Nodo 1 Nodo 2
AccessoMultiplo
Multiplazione
Ci occuperemo in seguito in dettaglio delle tecniche di accesso multiplo e multiplazione
128
Accesso radio condiviso: Riuso di frequenzeAccesso 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!
129
Accesso radio condiviso: PrestazioniAccesso 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 …elementi di teoria del traffico …
130
Teoria del traffico: il traffico istantaneoTeoria del traffico: il traffico istantaneo Il “traffico” istantaneo in t è il numero di chiamate
(messaggi, pacchetti, …) a(t) in corso al tempo t
t a(t)=2a(t)
t
t
T2
1
2
vedi parte del corso su valutazione delle prestazioni
vedi parte del corso su valutazione delle prestazioni
131
Teoria del traffico: Risultati sul trafficoTeoria del traffico: Risultati sul traffico
T
A(T) = 1/T a(t) dt
a(t)
tT
X2X1 X3
a(t) dt = i Xi in T TRisulta
Il traffico medio in T è
132
A(T) = X(T)
frequenza media dell’arrivo delle chiamate (call/s) X durata media dei messaggi (s)
a(t) dt i Xi nT
T=
n TA(T) =
X
Teoria del traffico: Risultati sul trafficoTeoria del traffico: Risultati sul traffico
Traffico medio in T
133
Nel caso in cui le trasmissioni non possono sovrapporsi
è la frazione di tempo in cui le trasmissioni sono attive
X1
t
X2
a(t) dt i Xi TT
=A(T) =T
Teoria del traffico: Risultati sul trafficoTeoria del traffico: Risultati sul traffico
In realtà il “traffico” istantaneo a(t) è un processo casuale
134
Teoria del traffico: Il TrafficoTeoria del traffico: Il Traffico
A = X
In condizioni di stazionarietà le medie non dipendono da T
E[A(T)] = A
A non ha dimensione
Il traffico si misura in Erlang
135
Teoria del traffico: EfficienzaTeoria 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
136
E’ il processo casuale più semplice che descrive l’occorrenza di punti (es. arrivo di chiamate) casuali sull’asse temporale descrizione:
– N(t,t+numero di punti nell’intervallo [t,t+]
N(0,t)0 t N(t,t+)
Teoria del traffico: Il processo di PoissonTeoria del traffico: Il processo di Poisson
137
Teorema 1
La probabilità che il numero di punti di Poisson N(t,t+) in un intervallo temporale fra t e t+ è pari a:
Teoria del traffico: Il processo di PoissonTeoria del traffico: Il processo di Poisson
ek
kttNPk
!
)(]),([ e
kkttNP
k
!
)(]),([
138
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
Teoria del traffico: Il processo di PoissonTeoria del traffico: Il processo di Poisson
tetpT )( tetpT )(
Processo di Poisson ben rappresenta arrivo di chiamate voce
139
Teoria del traffico: Sistemi di servizioTeoria 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
140
Teoria del traffico: Sistema a pura perditaTeoria 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:
n
k
k
n
kA
nA
AnB
0 !
!),(
n
k
k
n
kA
nA
AnB
0 !
!),(
dove A=T (in Erlang), frequenza media degli arrivi (call/s), T durata media delle chiamate
NOTA: vale per qualunque distrib. della durate delle chiamate
141
Teoria del traffico: Sistema a pura perditaTeoria 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:
),( AnBAAp ),( AnBAAp
ps AAAnBAA ),(1 ps AAAnBAA ),(1
10,
),(1
n
AnBA
n
As
10,),(1
n
AnBA
n
As
142
Teoria del traffico: Probabilità di bloccoTeoria del traffico: Probabilità di blocco
143
Teoria del traffico: Probabilità di bloccoTeoria del traffico: Probabilità di blocco
Al crescere del carico offerto (Erlang) cresce la probabilità di blocco
144
Teoria del traffico: Probabilità di bloccoTeoria del traffico: Probabilità di blocco
Data una probabilità di blocco desiderata , più alto il numerodi canali, più elevato il traffico offerto che può essere sostenuto
145
Teoria del traffico: Probabilità di bloccoTeoria del traffico: Probabilità di blocco
Data una probabilità di blocco desiderata e dato un traffico atteso(target di utenti) quale è il numero minimo di canali necessario?
146
Problematiche di MAC in reti ad hocProblematiche 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 duenodi cheTx nonsi ascoltano
Il nodoPotrebbetrasmettere
147
802.11 Distributed Coordination Function802.11 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)
148
802.11 Distributed Coordination Function802.11 Distributed Coordination Function
149
Effetto dell’RTS e CTSEffetto dell’RTS e CTS
RTS
CTS
150
802.11 Distributed Coordination Function802.11 Distributed Coordination Function
Virtual carrier sensing
151
FINE TERZA LEZIONE
152
Allocazione delle frequenze: Allocazione delle frequenze: organizzazione a celleorganizzazione a celle
153
Coverage for a terrestrial zoneCoverage for a terrestrial zone
1 Base StationN=12 channels •(e.g. 1 channel = 1 frequency)
N=12 simultaneous calls
d
Signal OK if Prx > -X dBmPrx = c Ptx d-4
greater Ptx greater d
BS
Covering a large geographical area NOT possible
154
Cellular coverageCellular coveragetarget: cover the same area with a larger number of BSstarget: cover the same area with a larger number of BSs
19 Base Station12 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
155
Cellular coverage (microcells)Cellular coverage (microcells)
many BS
Very low power!!Unlimited capacity!!
Usage of same spectrum(12 frequencies)(4 freq/cell)
Disadvantage: mobility managementadditional infrastructure costs
156
Cellular system architectureCellular system architecture
f4
f5
f6
f3
f1
f2
f7
f4
f5
f6
f3
f1
f2
f7
f4
f5
f6
f3
f1f2
f7
f4
f5
f6
f3
f1
f2
f7
MSC 1MSC 1 MSC 2MSC 2
Wired network 1 BS per cellCell: Portion of territory
covered by one radio stationOne or more carriers
(frequencies; channels) per cell
Mobile users full-duplex connected with BS
1 MSC controls many BSs
MSC connected to PSTN
BS = Base StationMSC = Mobile Switching CentrePSTN = Public Switching Telephone Network
157
Cellular capacityCellular 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
158
AB
CD
AB
CD
hexagonal cellshexagonal cells
Hexagon: Good approximation for
circle
Ideal coverage pattern– no “holes” – no cell superposition
AB
CD
AB
CD
AB
CA
AB
CD
AC
D
B
DB
Example case:Reuse pattern = 4
159
Cells in real worldCells in real world
Shaped by terrain, shadowing, etcCell border: local threshold, beyond which neighboring BS signal
is received stronger than current one
PART 2PART 2Cellular Coverage ConceptsCellular Coverage Concepts
(piu’ in dettaglio sull’organizzazione(piu’ in dettaglio sull’organizzazionedi un sistema cellulare)di un sistema cellulare)
Lecture 2.2Clusters and CCI
161
Reuse patternsReuse patterns 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,…
13
4
5
6
7
21
3
4
5
6
7
2
D R
Cluster: K = 7
12
3
4
12
3
4
12
3
4
D
K = 4
12
3
4
162
Dim. dei cluster di celleDim. dei cluster di celle
1
3
2
3
2
1
3
1
3
2
2
2
1
1
D
K=3
2
13
2
32
1 1
163
Dimensione dei clusterDimensione dei cluster
K=4
AB
CD
AB
CD
AB
CD
AB
CD
AB
CA
AB
CD
AC
D
B
DB
164
Dimensione dei clusterDimensione dei cluster
D
K=7
165
Reuse distanceReuse distance
General formula Valid for hexagonal geometry D = reuse distance R = cell radius K=cluster size q = D/R =frequency reuse factor
3KRD
K q=D/R3 3,004 3,467 4,589 5,2012 6,0013 6,24
166
ProofProof 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:
21212
2
12 30sin)()(30cos)( oo uuvvuuD
30°
v
u
(1,1)
(3,2)
))(()()( 12122
122
12 vvuuvvuuD
RijjiD 322
ijjiDK R 222
KRD 3
ijjiDR 22
167
ProofProof 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:
21212
2
12 30sin)()(30cos)( oo uuvvuuD
30°
v
u
(1,1)
(3,2)
))(()()( 12122
122
12 vvuuvvuuD
RijjiD 322
ijjiDK R 222
KRD 3
ijjiDR 22
168
ProofProof 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:
21212
2
12 30sin)()(30cos)( oo uuvvuuD
30°
v
u
(1,1)
(3,2)
))(()()( 12122
122
12 vvuuvvuuD
RijjiD 322
ijjiDK R 222
KRD 3
ijjiDR 22
169
ProofProof 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:
21212
2
12 30sin)()(30cos)( oo uuvvuuD
30°
v
u
(1,1)
(3,2)
))(()()( 12122
122
12 vvuuvvuuD
RijjiD 322
ijjiDK R 222
KRD 3
ijjiDR 22
170
ProofProof 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:
21212
2
12 30sin)()(30cos)( oo uuvvuuD
30°
v
u
(1,1)
(3,2) ))(()()( 12122
122
12 vvuuvvuuD
RijjiD 322
ijjiDK R 222
KRD 3
ijjiDR 22
Se R è il raggio di un esagono la metà della distanza tra duecelle adiacenti è
Quindi la distanza tra due celle adiacenti è 2 volte questa quantità!
2
3
4
3
22
22 RR
RR
171
ProofProof 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:
21212
2
12 30sin)()(30cos)( oo uuvvuuD
30°
v
u
(1,1)
(3,2) ))(()()( 12122
122
12 vvuuvvuuD
RijjiD 322
ijjiDK R 222
KRD 3
ijjiDR 22
172
K=7
Proof 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
3/D
D
173
Proof Proof L’area occupata da un cluster Acluster e’ quindi
data da:
Quanti esagoni di area possono stare
in un’area pari a ?
Risposta:
332
32
D
32
3 2R
332
32
D
2
2
2
2
3323
332
3
Rcella
cluster DR
D
R
D
A
AK
2
22
33 R
D
R
DK
KRKRD 33 2
174
ClustersClusters
K=7(i=2,j=1) K=4 (i=2,j=0)
175
Possible clustersPossible clustersall integer i,j valuesall integer i,j values
i j K=ii+jj+ij q=D/R1 0 1 1,731 1 3 3,002 0 4 3,462 1 7 4,582 2 12 6,003 0 9 5,203 1 13 6,243 2 19 7,553 3 27 9,004 0 16 6,934 1 21 7,944 2 28 9,174 3 37 10,544 4 48 12,005 0 25 8,665 1 31 9,64
Dim.ammissibili dei cluster 1,3,4,7,9,12,13,16,…
176
Co-Channel InterferenceCo-Channel Interference
Frequency reuse implies that remote cells interfere with tagged one
Co-Channel Interference (CCI) sum of interference from
remote cellsCB
AD
E
CB
AD
EF
G
C
AD
EF
AE
FG A
EF
G
CB
A
FG
CB
AD
small N as
(I)power signal ginterferin
(S)power signal
(I)power signal ginterferin )(Npower noise
(S)power signal
S
S
I
S
N
S
I
S
N
S
177
CCI Computation - assumptionsCCI Computation - assumptions
Assumptions NI=6 interfering cells
– NI=6: first ring interferers only
– we neglect second-ring interferers
Negligible Noise NS
– S/N ~ S/I d propagation law
=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
RR
D
PowerPo
PowerPo
Dint
Dint ~ D
178
CCI computationCCI computation
qNR
D
ND
R
N
D
R
I
S
N
S
III
N
k
I
111
cost
cost
1
Results depend on ratio q=D/R
(q=frequency reuse factor)
KRD 3
By using the assumptions of same cost and same D:
Alternative expression: recalling that
6
33
1
3
1 22
K
KNKR
R
NI
S
N
S
II
USAGE: Given an S/I target, cluster size K is obtained
NI=6,=4 2
2
2
3
6
3K
K
I
S
179
ExamplesExamples
target conditions: S/I=9 dB =4
Solution:
target conditions: S/I= 18dB =4.2
Solution:
33.2
3
2
6
3
894.710
4
2
9.0
KK
I
SK
K
I
S
I
S
763.53
10
23.121
78.7183log
6log103log5
23.1
KK
K
KdBI
S
180
S/I computationS/I computationassuming 6 interferers only (first ring)assuming 6 interferers only (first ring)
K q=D/R S/I S/I dB3 3,00 13,5 11,34 3,46 24,0 13,87 4,58 73,5 18,79 5,20 121,5 20,812 6,00 216,0 23,313 6,24 253,5 24,016 6,93 384,0 25,819 7,55 541,5 27,321 7,94 661,5 28,225 8,66 937,5 29,7
181
Additional interferersAdditional interferers
case K=4 note that for each
cluster there are always NI=6 first-ring interferers
AB
CD
AB
CD
AB
CD
AB
CD
AB
CD
AB
C
AB
C
AB
CD
B
CD
AB
CD
AB
CD
B
CD
AB
CD
AB
CD
BD
BD
B
AB
AB
In CCI computation, contribute of additional interferers is marginal
182
Multiple Tiers of InterferersMultiple Tiers of Interferers
approssimazione
183
Special case of co-channel interferenceSpecial case of co-channel interference
184
185
sectorizationsectorization
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 1Laa ff ,1,
Sector 2LaLa ff 2,1,
Sector 3LaLa ff 3,12,
CELL a
186
CCI reduction via sectorizationCCI reduction via sectorizationthree sectors casethree sectors case
CB D
E
CB D
EF
G
CD
EF
EF
G AE
FG
CB
A
FG
CB
AD
FG
Inferference from 2 cells, only Instead of 6 cells
A
A
A
A
77.4
32
120
120
dBI
SdB
I
S
I
S
D
R
I
S
omni
omni
o
o
With usual approxs (specifically, Dint ~ D)
Conclusion: 3 sectors = 4.77 dB improvement
187
6 sectors6 sectors
60o Directional antennas
CCI reduction: 1 interfereer only 6 x S/I in the omni case Improvement: 7.78 dB
188
6 sectors6 sectors
CB D
E
CB D
EF
G
CD
EF
EF
GE
FG
CB
FG
CB D
FG
A
A
A
A
AA
A
Unica BSche disturbale ricezioni/trasmissioni verso/dalle MUnella cella diriferimento
Cella di riferimento
189
Pianificazione di sistemi cellulariPianificazione di sistemi cellulari
190
Blocking probability: Erlang-BBlocking probability: Erlang-B Fundamental formula for
telephone networks planning Ao=offered traffic in Erlangs
oCC
j
jo
Co
block AE
jA
CA
,1
0 !
!
oCo
oCooC AEAC
AEAAE
1,1
1,1,1
0,01%
0,10%
1,00%
10,00%
100,00%
0 1 2 3 4 5offered load (erlangs)
blo
ckin
g p
rob
abil
ity
C=1,2,3,4,5,6,7
Efficient recursive computation available
191
Capacity planningCapacity 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 oC AEB ,1target
192
Channel usage efficiencyChannel usage efficiency
oA C channels BAA oc 1
Offered load (erl) Carried load (erl)
BAo
Blocked traffic
blocking small if
1:efficiency ,1
C
A
C
AEA
C
A ooCoc
Fundamental property: for same GOS, efficiency increases as C grows!!
193
exampleexample
0,1%
1,0%
10,0%
100,0%
0 20 40 60 80 100 120capacity C
blo
ck
ing
pro
ba
bili
ty
A = 40 erl
A = 60 erl
A = 80 erl
A = 100 erl
GOS = 1% maximum blocking. Resulting system dimensioning
and efficiency:
40 erl C >= 5360 erl C >= 7580 erl C >= 96100 erl C >= 117
= 74.9% = 79.3% = 82.6% = 84.6%
194
Trunking EfficiencyTrunking Efficiency
195
Erlang B calculation - tablesErlang B calculation - tables
ErlangB Online calculator:http://mmc.et.tudelft.nl/~frits/Erlang.htm
196
Application to cellular networksApplication to cellular networks
Meglio conarea dell’esagono !
197
Other exampleOther example
198
Other exampleOther example
Caso particolarein cui il fattodi avere più celle‘piccole’ non porta ad un vantaggioin termini diriuso dellefrequenze
199
Sectorization and trafficSectorization 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=77.46% 120o: 60/3=20 channels Ao=3x12.03= 36.09erl =59.54% 60o: 60/6=10 channels Ao=6x4.46= 26.76erl =44.15%
200
FINE QUARTA LEZIONE
201
Gestione della mobilitàGestione della mobilità
202
Cellular coverage (microcells)Cellular coverage (microcells)
many BS
Very low power!!Unlimited capacity!!
Usage of same spectrum(12 frequencies)(4 freq/cell)
Disadvantage: mobility managementadditional infrastructure costs
203
Gestione della mobilitàGestione 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
204
Gestione della mobilitàGestione 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).
205
Gestione della mobilitàGestione 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)
206
Gestione della mobilità: Cell selectionGestione 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
207
Gestione della mobilità: Location UpdateGestione 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
LA 1LA 2
Data Base
208
Gestione della mobilità: Location UpdateGestione 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
LA 2
Data Base
LA 1
209
Gestione della mobilità: PagingGestione 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
Data Base
pagingpaging
reply
210
Gestione della mobilità: Gestione della mobilità: Paging vs. Location UpdatePaging 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
211
Gestione della mobilità: Handover 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
212
Gestione della mobilità: HandoverGestione della mobilità: Handover
La scelta delle soglie di attivazione della procedura di handover è fattore critico
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
Quando scatenare un Handover?Quando scatenare un Handover?Quando scatenare un Handover?Quando scatenare un Handover?
t t
Handover TH
Receiver THh
213
Gestione della mobilità: HandoverGestione della mobilità: Handover
Esistono diversi metodi1 - metodo del segnale più forte
– l’handover avviene nel punto A
Quando scatenare un Handover?Quando scatenare un Handover?Quando scatenare un Handover?Quando scatenare un Handover?
a causa delle fluttuazioni del segnale sono possibili molti rimbalzi (effetto ping-pong)
214
Gestione della mobilità: HandoverGestione della mobilità: Handover
Esistono diversi metodi2 - 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
Quando scatenare un Handover?Quando scatenare un Handover?Quando scatenare un Handover?Quando scatenare un Handover?
215
Gestione della mobilità: HandoverGestione della mobilità: Handover
Esistono diversi metodi3 - 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
Quando scatenare un Handover?Quando scatenare un Handover?Quando scatenare un Handover?Quando scatenare un Handover?
216
Gestione della mobilità: Prestazioni HandoverGestione 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
217
Gestione della mobilità: Prestazioni Handover Gestione della mobilità: Prestazioni Handover Tecnica dei Canali di GuardiaTecnica 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?)
218
Gestione della mobilitàGestione 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.
219
Roaming.Roaming.
1. All’arrivo a LA l’utente deve registrarsi con il nuovo VLR
2. 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
3. Il nuovo VLR informa l’utente della registrazione con successo
4. L’HLR invia un messaggio di deregistrazione verso il vecchio VLR
MSCVLR
MSCVLR
HLR PSTN
NYLA 1
2
3
4
HLR: Home locationregister
VLR: Visiting locationregister
220
Set up di chiamate. EsempiSet up di chiamate. Esempi
1. MStelefono fisso tramite l’VLR dell’MS
1. Telefono fissoMS:tramite il gateway MSC si contatta l’HLR e tramite questo il VLR corrente.
2. IL VLR restituisce l’info sull’MSC da contattare
3. La chiamata viene messa su
MSCVLR
MSCVLR
HLR PSTN
NYLA
3
2
3
GMSC1
112
2
221
Gestione della mobilità: Tipologie di HandoverGestione 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
222
Gestione della mobilità: HandoverGestione 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
LETTURA CONSIGLIATA:Trends in handover design Pollini, G.P. IEEE Communications Magazine , Volume: 34 Issue: 3 , March 1996 Page(s): 82 -90
223
Codifica della voceCodifica della voce
224
Codifica della voce: Caratteristiche Codifica della voce: Caratteristiche tempo/frequenza (suono vocalizzato)tempo/frequenza (suono vocalizzato)
suono vocalizzato: vocale e
225
Codifica della voce: Codifica della voce: Caratteristiche tempo/frequenzaCaratteristiche tempo/frequenza
suono non vocalizzato: consonante f
226
Codifica della voce: Codifica della voce: Caratteristiche tempo/frequenzaCaratteristiche tempo/frequenza
Parola: effe
227
Codifica della voce: Codificatori vocaliCodifica della voce: Codificatori vocali
Waveform codecs
Source codecs (vocoders)
Hybrid codecs
Trasformano la voce in un flusso di bit
Digitalizzazione di unSegnale analogico
Realizzano una descrizione esplicita
della forma d’onda in ingresso (es. PCM)
228
Codifica della voce: Waveform codecsCodifica 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
campionatoreA to Db bits
per campione
00100001
alta qualita’, bassa complessita’, basso ritardo (1 campione), robustezza agli errori e al rumore di fondo
229
Codifica della voce: Waveform codecsCodifica 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
campionatoreA to Db bits
per campione
00100001
alta qualita’, bassa complessita’, basso ritardo (1 campione), robustezza agli errori e al rumore di fondo
230
Codifica della voce: Codifica della voce: Pulse Code Modulation (PCM)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 (-law) e Europa (A-law) regole di conversione standard
231
Effetto di diversi tipi di quantizzazioneEffetto di diversi tipi di quantizzazione
Asse delle ampiezze suddiviso inintervalli uguali
compressione
232
Fasi della codifica/decodificaFasi della codifica/decodifica
Filtraggio Campionamento Codifica Compressione
Si campiona a 8000 volte al secondo
12 bit percampione
8 bit percampione
CODIFICA
EspansioneDecodificaRicostruzione
12 bit a campioneSegnale campionatoe quantizzato
Segnaleanalogico
DECODIFICA
233
Codifica della voce: Waveform codecsCodifica 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
campionatoreA to Db bits
per campione
00100001
alta qualita’, bassa complessita’, basso ritardo (1 campione), robustezza agli errori e al rumore di fondo
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Codifica della voce: Waveform codecsCodifica 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
campionatoreA to Db bits
per campione
00100001
alta qualita’, bassa complessita’, basso ritardo (1 campione), robustezza agli errori e al rumore di fondo
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Codifica della voce: Codifica della voce: Differential PCM (DPCM)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.
236
Codifica della voce: Codifica della voce: Adaptive DPCM (ADPCM)Adaptive DPCM (ADPCM)
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
Predittoreadattativo
+camp. +- quant.
adattativo
Bassa qualità
CordlessDECT
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)
237
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
Codifica della voce: Codifica della voce: Source codecs (vocoders)Source codecs (vocoders)
Filtro di analisiFiltro di sintesi
Pesatura e minimizzazionedell’errore
sequenza dieccitazione
Esempio: predittorelineare
238
Codifica della voce: Codifica della voce: Vocoder lineari (LPC)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
239
G.711 PCM
G.726 ADPCM
G.728 LD-CELP
G.729 CS-ACELP
G.723.1 MP-MLQ
G.723.1 ACELP
64
32
16
8
6.3
5.3
0.125
1
0.625
10
30
30
CompressioneBit rate (kbit/s)
Framesize (ms)
0
0
0
5
7.5
5
Lookahead (ms)
1972
1990
1992-94
1995
1995
1996
Year
RPE-LTP (GSM) 13 20 01987
Codifica della voce: Principali CodificheCodifica della voce: Principali Codifiche
G.722 Subband ADPCM 48-64 0.125 1.51988
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”
240
Cenni storici: Cenni storici: Prima Generazione (1G)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, OrienteTACS: 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
241
Cenni storici: Cenni storici: Prima Generazione (1G)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, OrienteTACS: 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
Uplink: trasmissione da terminalemobile a base stationDownlink: trasmissione da basestation a terminale mobile
242
Cenni storici: Cenni storici: Verso la Seconda GenerazioneVerso 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
243
Cenni storici: 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)
244
Cenni storici: Cenni storici: Seconda Generazione (2G/2G+)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)
245
Cenni storici: Cenni storici: Digital Cellular Systems World-wideDigital Cellular Systems World-wide
GSMD-AMPSJapan DigitalPCS 1900DCS 1800CDMA
Dati da www.gsmworld.com
246
Control/data channel
Simplex Systems/Duplex Systems (half and full duplex)
Handoff
Alcune definizioni...Alcune definizioni...
247
Fine quinta lezione
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