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Reti wireless e mobili 6-1
Capitolo 6: Reti Wireless e Mobili
Premessa: # telefoni cellulari è maggiore del numero
di telefoni fissi! accesso a Internet in ogni luogo e in ogni
momento (ubiquitous computing): laptops, palmtops, PDAs, telefoni cellulari
due aspetti importanti (ma differenti)o communicazione in un canale wireless o gestione di utenti mobili (che cambiano il punto
di collegamento con la rete)
Reti wireless e mobili 6-2
Capitolo 6: sommario
Comunicazioni Wireless Caratteristiche canali
Wireless, o CDMA
IEEE 802.11 wireless LANs (“wi-fi”)
Cellular Internet Accesso architetturao standard (es. GSM)
Mobilità Principi:
indirizzamento e routing per utenti mobili
Mobile IP Gestione mobilità in
reti cellulari Mobilità e protocolli di
alto livello
Reti wireless e mobili 6-3
Elementi di una rete wireless
infrastruttura di rete
wireless hosts laptop, PDA, telef. IP eseguono
applicazioni stazionari o mobili
o wireless NON implica sempre mobilità
Reti wireless e mobili 6-4
Elementi di una rete wireless
infrastruttura di rete
stazione base tipicamente connessa a
rete con fili (wired) responsabile per lo
scambio di pacchetti tra rete wired e host wireless nella sua “area”o es, punti di accesso
(access points ) 802.11
Reti wireless e mobili 6-5
Elementi di una rete wireless
infrastruttura di rete
link wireless usato per connettere
stazioni wireless alla base station
anche usato come collegamento di backbone
accessi multipli differiscono per banda e
per distanza di trasmissione
Reti wireless e mobili 6-6
Caratteristiche di alcuni standard wireless
384 Kbps384 Kbps
56 Kbps56 Kbps
54 Mbps54 Mbps
5-11 Mbps5-11 Mbps
1 Mbps1 Mbps
802.15
802.11b
802.11{a,g}
IS-95 CDMA, GSM
UMTS/WCDMA, CDMA2000
.11 p-to-p link
2G
3G
Indoor
10 – 30m
Outdoor
50 – 200m
Mid rangeoutdoor
200m – 4Km
Long rangeoutdoor
5Km – 20Km
Reti wireless e mobili 6-7
Elementi di una rete wireless
infrastruttura di rete
rete con infrastruttura la stazione base
connette gli utenti mobili alla rete wired
handoff: utente mobile canbia la stazione base
Reti wireless e mobili 6-8
Elementi di una rete wireless
Modo Ad hoc non esiste stazione base nodi possono solo
comunicare con altri nodi nella loro copertura
i nodi si roganizzano in una rete: routingoo all’interno di una area connessa
Reti wireless e mobili 6-9
Caratteristiche del link wireless
Differenze con rete wired ….o attenuazione del segnale: il segnale radio si
attenua mentre attraversa il mezzoo interferenze con altre sorgenti: reti wireless
usano frequenze standard (es, 2.4 GHz) condivisa da altri dispositivi (es, telefono); i dispositivi interferiscono
o propagazione su piuù cammini: il segnale radio si riflette sugli oggetti e può arrivare a destinazione con tempi diversi
…. rendono la comunicazione wireless (anche punto-a-punto fra due soli utenti) molto più complessa
Reti wireless e mobili 6-10
Caratteristiche del link wirelessPiù mittenti e destinatari wireless creano altri
problemi:
AB
C
Il problema del terminale nascosto
B, A sono collegati B, C sono collegati A, C non possono comunicarequindi A, C non sanno della
comune interferenza con B
A B C
forza del segnale di A
space
forza del segnale di C
Degrado del segnale: B, A sono collegati C, A sono collegati A, C non possono sentirsi e
interferiscono a B
Reti wireless e mobili 6-11
Code Division Multiple Access (CDMA)
usato in diversi standard per il broadcast (un mittente, tanti destinatari) (cellular, satellite, etc)
un codice unico è assegnato ad ogni utente (partizionamento dell’insieme dei codici)
tutti gli utenti condividono la stessa frequenza, ma ogni utente ha una propria “sequenza di chipping” per codificare i dati
segnale codificato = (dati originali) X (sequenza di chipping)
decodifica: prodotto scalre del segnale codifcato e della sequenza di chipping
permette a diversi utenti di “coesistere” e trasmettere simultaneamente con interferenza minima (se i codici sono “ortogonali”)
Reti wireless e mobili 6-12
CDMA Codifica/Decodifica
slot 1 slot 0
d1 = -1
1 1 1 1
1- 1- 1- 1-
Zi,m= di.cmd0 = 1
1 1 1 1
1- 1- 1- 1-
1 1 1 1
1- 1- 1- 1-
1 1 11
1-1- 1- 1-
slot 0channeloutput
slot 1channeloutput
channel output Zi,m
mittentecode
databits
slot 1 slot 0
d1 = -1d0 = 1
1 1 1 1
1- 1- 1- 1-
1 1 1 1
1- 1- 1- 1-
1 1 1 1
1- 1- 1- 1-
1 1 11
1-1- 1- 1-
slot 0channeloutput
slot 1channeloutputricevente
code
receivedinput
Di = Zi,m.cmm=1
M
M
Reti wireless e mobili 6-13
CDMA: interferenza di due mittenti
mittente 1
mittente 2
Reti wireless e mobili 6-14
IEEE 802.11 Wireless LAN
802.11bo 2.4-5 GHz spettro
radio senza licenze d’uso
o fino a 11 Mbpso collegamenti direttio spectrum (DSSS) in
physical layer• tutti gli utenti
usano stessa seq. chipping
o molto usato
802.11a o spettro 5-6 GHzo fino a 54 Mbps
802.11g o spettro 2.4-5 GHzo fino a 54 Mbps
Tutti usano CSMA/CA per accessi multipli
In ogni caso versioni per base-station e ad-hoc network
Reti wireless e mobili 6-15
802.11 LAN: architettura
host host comunicano con stazione base (base station)o base station = access
point (AP) Basic Service Set (BSS)
(simile a “cella”) contiene:o hosts wireless (sempre)o access point (AP): base
station (solo infrastruttura)
o ad hoc mode: solo hostsBSS 1
BSS 2
Internet
hub, switcho routerAP
AP
Reti wireless e mobili 6-16
802.11: canali e associazioni 802.11b: spettro 2.4GHz-2.485GHz diviso in 11
canali con frequenza diverseo amministratore di AP sceglie la frequenza per
APo possibili interferenze: il canale potrebbe
essere scelto anche da AP vicini host: deve associarsi con un AP
o esamina i canali per verificare l’eventuale presenza di beacon frames contenenti il nome AP(SSID) e l’indirizzo MAC
o seleziona AP con cui associarsio può eseguire procedura di autenticazione o tipicamente usa DHCP per otteenre indirizzo
IP nella sottrete dell’AP
Reti wireless e mobili 6-17
IEEE 802.11: accessi multipli Problema collisioni: più nodi che trasmettono allo
stesso istante 802.11: CSMA - ascolta prima di trasmettere
o non collide con trasmissioni incorso di altri nodi 802.11: non esiste meccanismo verifica collisioni
o difficoltà di ricevere inform. su eventuale collisione quando si trasmette per debolezza del segnale ricevuto: terminale nanscosto, fading
o obiettivo: evitare collisioni: CSMA/C(ollision)A(voidance)
AB
C A B C
potenzasegnale di A
space
potenza segnale di C
Reti wireless e mobili 6-18
IEEE 802.11: Protocollo MAC-CSMA/CA802.11: mittente1 se il canale è libero(idle) per DIFS sec.
allora trasmetti il frame intero (no CD)2 se il canale è occupato allora
inizia tempo backoff casuale riduci timer se canale liberotrasmetti quando il timer è a zerose non ricevi ACK allora incrementa
intervallo di backoff time, vai a 2
802.11 ricevente- se il frame è ricevuto OK ritorna ACK dopo SIFS sec. (ACK serve
per problema terminale nascosto)
mittente ricevente
DIFS
data
SIFS
ACK
Reti wireless e mobili 6-19
IEEE 802.11: evitare collisioni
idea: permettere al mittente di prenotare il canale piuttosot che un accesso casuale: obiettivo ridurre collisoni di frame dati grandi
mittente prima trasmette alla BS una richiesta di piccola di pacchetti request-to-send (RTS) (prenotazione) usando CSMAo RTS possono ancora collidere l’un l’altro (ma sono piccoli)
BS esegue in risposta il broadcast clear-to-send (CTS) RTS è rilevato da tutti i nodi
o mittente invia il frame dati o altre stazioni aspettano
Avoid data frame collisions completely using small reservation packets!
Reti wireless e mobili 6-20
IEEE 802.11: evitare collisioni esempio
APA B
tempo
RTS(A)RTS(B)
RTS(A)
CTS(A) CTS(A)
DATA (A)
ACK(A) ACK(A)
collisione in prenotazione
attesa
Reti wireless e mobili 6-21
framecontrol
durationaddress
1address
2address
4address
3payload CRC
2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4
seqcontrol
802.11 : indirzzamento
Inidirizzo 2: indrizzo MACdel host wireless or dell’AP in trasmissione
Indirizzo 1: indirizzo MACdell’host wireless o AP per ricevere questo frame
Indirizzo 3: indirizzo MACper interfaccia routera cui è collegato AP
Indirizzo 4: usato solo in modalità ad hoc
Reti wireless e mobili 6-22
Internetrouter
AP
H1 R1
AP MAC ind H1 MAC ind R1 MAC ind
indirizzo 1 indirizzo 2 indirizzo 3
frame 802.11
R1 MAC addr AP MAC addr
ind. destinatario source address
frmae 802.3
802.11 : indirizzamentoLivello 2
Reti wireless e mobili 6-23
framecontrol
durationaddress
1address
2address
4address
3payload CRC
2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4
seqcontrol
TypeFromAP
SubtypeToAP
More frag
WEPMoredata
Powermgt
Retry RsvdProtocolversion
2 2 4 1 1 1 1 1 11 1
802.11 framedurata del tempo di trasmissioneprenotato (RTS/CTS)
numero di seq. del frame (motivi affidabilità)
tipo frame(RTS, CTS, ACK, data)
Reti wireless e mobili 6-24
hub o switch
AP 2
AP 1
H1 BBS 2
BBS 1
802.11: mobilità entro la stessa sottorete
router H1 rimane nella
stessa sottoreter IP: stesso indirizzo
switch: quale AP è associato con H1?o switch ha il compito
di “ricordare” quale porta raggiunge H1
Reti wireless e mobili 6-25
Mraggio di copertura
S
SS
P
P
P
P
M
S
Dispositivo Master
Dispositivo Slave
Dispositivo (inattivo)P
802.15: personal area network
diametro meno di 10 m sostituzione di mouse,
tastiera, cuffie ad hoc: nessuna
infrastruttura master/slaves (piconet):
o slave richiedono al master permesso di comunicare
o master accorda permessi 802.15: evoluzione da
specifiche Bluetootho banda radio 2.4-2.5 GHzo TDM, Frequency Hopping o fino a to 721 kbps
Reti wireless e mobili 6-26
Chapter 6 outline
6.1 Introduction
Wireless 6.2 Wireless links,
characteristicso CDMA
6.3 IEEE 802.11 wireless LANs (“wi-fi”)
6.4 Cellular Internet Accesso architectureo standards (e.g., GSM)
Mobility 6.5 Principles:
addressing and routing to mobile users
6.6 Mobile IP 6.7 Handling mobility
in cellular networks 6.8 Mobility and
higher-layer protocols
6.9 Summary
Reti wireless e mobili 6-27
Mobile Switching
Center
Rete telefonica pubblica, eInternet
Mobile Switching
Center
Reti cellulari: architettura
connette le celle a rete gestisce instaurazione chiamate gestisce mobilità
MSC
copre regione geografica base station (BS) analoga a 802.11 AP mobile users si collega alla rete tramite BS interfaccia: protocollo di trato fisico e di link tra utente mobile e BS
cella
rete wired
Reti wireless e mobili 6-28
Reti Cellulari : il primo collegamentoDue tecniche per la
condivisione dello spettro radio “utente mobile”-BS
combinazione FDMA/TDMA: dividi lo spettro in canali di frequenza, dividi i canali frazioni di tempo (time slots)
CDMA: code division multiple access
frequencybands
time slots
Reti wireless e mobili 6-29
Standard per Reti Cellulari
sistema 2G : canali vocali IS-136 TDMA: combinazione FDMA/TDMA (USA) GSM (global system for mobile
communications): combined FDMA/TDMA (Europa, più usato)
IS-95 CDMA: code division multiple access
Reti wireless e mobili 6-30
Cellular standards: brief surveysistemi 2.5 G : canali voce e dati estensione di 2G in attesa di 3G general packet radio service (GPRS)
o evoluzione da GSM o dati inviati su canali multipli (se disponibili)
enhanced data rates for global evolution (EDGE)o ulteriore evoluzione di GSM, usa tecniche di modulazione
più avanzateo Data rate fino a 384K
CDMA-2000 (fase 1)o Data rate fino a 144Ko evoluzione di IS-95
Reti wireless e mobili 6-31
Cellular standards: brief survey3G systems: voce/dati Universal Mobile Telecommunications Service
(UMTS)o evoluzione GSM, che usa CDMA
CDMA-2000