Dott.ssa Chiara Petrioli a.a 2007/2008 Università di Roma La Sapienza Corso di Laurea Specialistica in Informatica Reti Avanzate Sistemi wireless (lezione

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


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: [email protected] 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

http://twiki.di.uniroma1.it/

http://www.ietf.org/

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



: Mobile Client



MARjCoverage Area

MARiCoverage Area

MAR jMAR

i

MC IDx

Wireless cell

INTERNET

Wireless

Access Point

PLMN

AP

Hotspot802.11


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

73



: Mobile Client



MARjCoverage Area

MARiCoverage Area

MAR jMAR

i

MC IDx

Wireless cell

INTERNET

Wireless

Access Point

PLMN

AP

Hotspot802.11


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

83



: Mobile Client



MARjCoverage Area

MARiCoverage Area

MAR jMAR

i

MC IDx

Wireless cell

INTERNET

Wireless

Access Point

PLMN

AP

Hotspot802.11


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)

9

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

10





Esempi di ditte molto attive:Philips, IBM, Varie Telecom, Nokia, Siemens, Ericsson,

Finmeccanica, EADS, Thales, Ditte automobilistiche,INGV, protezione civile, …

11





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

14

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


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

18

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

19

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



: Mobile Client



MARjCoverage Area

MARiCoverage Area

MAR jMAR

i

MC IDx

Wireless cell

INTERNET

Wireless

Access Point

PLMN

AP

Hotspot802.11


Argomenti trattati in RAArgomenti trattati in RA

WIMAX

Ambientintelligence

22

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




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)


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


32




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)

34

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

35



BaseStation

MobileStation




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)

36



BaseStation

MobileStation




Come si allocano le risorse per unachiamata? Come si decide quale chiamata deve essere accettata e qualerifiutata nel caso di risorse radio limitate?

37



BaseStation

MobileStation




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?

38




Errori frequenti nella trasmissione Attenuazione, riflessione,

rifrazione,diffrazione del segnale multipath fading

CanaleRadio

vedremo piu’ avanti

100100

100110

pacchettotrasmesso

pacchettoricevuto

Interferenze

39




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


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


Problematica unica di queste reti: Come si istradano i pacchettida A a B (routing?)

A

B

45


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 ?)

46


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


Non sorprende che il comitato di standardizzazione delle reti ad hoc. Il gruppo MANET dell’IETF si occupi essenzialemente di routing!

48




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

49

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 ?

50

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)

56

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


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


67

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.)


La2

4

dPL

76




La2

4

dPL

2

2

4

1,,

14

dP

P

Lgg

se

LdggP

P

P

P

R

T

RT

RTT

T

R

T

77




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


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


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


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


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


102


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


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


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


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


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


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


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:


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


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


Al crescere del carico offerto (Erlang) cresce la probabilità di blocco

144


Data una probabilità di blocco desiderata , più alto il numerodi canali, più elevato il traffico offerto che può essere sostenuto

145


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


(u1,v1) (u2,v2)

Simplifies to:



hence:

21212

2


30°

v

u

(1,1)

(3,2)

))(()()( 12122

122

12 vvuuvvuuD

RijjiD 322

ijjiDK R 222

KRD 3

ijjiDR 22

168


(u1,v1) (u2,v2)

Simplifies to:



hence:

21212

2


30°

v

u

(1,1)

(3,2)

))(()()( 12122

122

12 vvuuvvuuD

RijjiD 322

ijjiDK R 222

KRD 3

ijjiDR 22

169


(u1,v1) (u2,v2)

Simplifies to:



hence:

21212

2


30°

v

u

(1,1)

(3,2)

))(()()( 12122

122

12 vvuuvvuuD

RijjiD 322

ijjiDK R 222

KRD 3

ijjiDR 22

170


(u1,v1) (u2,v2)

Simplifies to:



hence:

21212

2


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


(u1,v1) (u2,v2)

Simplifies to:



hence:

21212

2


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

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


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


Esistono diversi metodi1 - metodo del segnale più forte

– l’handover avviene nel punto A


a causa delle fluttuazioni del segnale sono possibili molti rimbalzi (effetto ping-pong)

214


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


215


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


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


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


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




per campione

00100001


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




per campione

00100001


234




per campione

00100001


235

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

Documents

Dott.ssa Chiara Petrioli a.a 2007/2008 Università di Roma La Sapienza Corso di Laurea Specialistica in Informatica Reti Avanzate Sistemi wireless (lezione