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Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 1
Sistemi Mobili M
Università di Bologna
CdS Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica
II Ciclo - A.A. 2014/2015
Corso di Sistemi Mobili M (8 cfu)
01 – Panoramica su Comunicazioni
Wireless
Docente: Paolo Bellavista
http://lia.deis.unibo.it/Courses/sm1415-info/
http://lia.deis.unibo.it/Staff/PaoloBellavista/
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Cenni di Modelli
di Propagazione
Giusto per spaventarvi in partenza , tutto deriva sempre
dalle equazioni di Maxwell…
Avete già parlato di modelli di propagazione e modelli di fading in
Fondamenti Telecomunicazioni T, vero?
Modelli di propagazione
Free-space loss
Pr(d) ~ PtGtGr (λ/4Πd)2
Plane earth loss
Pr(d) ~ PtGtGr (hthr/d2)2
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Cenni di Modelli
di Propagazione
In scenari realistici o reali, condizioni molto più complicate,
che portano, come succede spessissimo in ambito ingegneristico, a
modelli empirici approssimati
Modelli di propagazione
Plane earth loss
Pr(d) ~ PtGtGr (hthr/d2)2
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Cenni di Modelli
di Propagazione
In scenari realistici o reali, condizioni molto più complicate, che portano, come succede spessissimo in ambito ingegneristico, a modelli empirici approssimati
Modelli di propagazione
Plane earth loss
Pr(d) ~ PtGtGr (hthr/d2)2
Modello di Okumura
-Hata
Modello COST-231-Hata
Modello COST-231-
Walfisch-Ikegami
…
Modelli propagazione
indoor
Modelli basati su
ray-tracing (ottica geometrica e teoria della diffrazione)
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Cenni di Modelli
di Fading su Canale
Tre tipi principali di channel fading nelle comunicazioni mobili
(causate da riflessione, diffrazione e scattering):
Shadowing (o slow-fading)
Multipath Rayleigh fading
Frequency-selective fading
Shadowing: blocco e riflessione parziale da parte di alberi, edifici, veicoli in
movimento, … calo della potenza ricevuta in ampio spettro di frequenze
probability distribution function
pdf =
Ψ = Pr/Pt
2
2
(ln )
21
2
r m
er
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Shadowing
Shadowing:
da pdf a determinazione di U(P0) ovvero probabilità di area di
copertura (percentuale dell’area di copertura con potenza di
segnale ricevuto superiore a P0)
pdf U(P0)
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Rayleigh Fading
ed Effetti Combinati
Distribuzione di Rayleigh
Fluttuazione potenza
segnale ricevuto con
range di trasmissione dovuta a Rayleigh (fast fading),
shadowing (slow fading) e
multipath delay spread
(frequency–selective)
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Rayleigh Fading
ed Effetti Combinati
Si può dimostrare che Rayleigh fading si ottiene ad esempio da un
semplice modello multipath con 2 cammini
Inoltre, effetto Doppler e shift di frequenza (time-selective fading)
Potreste anche incontrare i termini di Ricean fading, Nagakami fading, Suzuki fading, …
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Altri Effetti:
Scattering, Assorbimento Atmosferico, …
Scattering da superficie scabra
Attenuazione da pioggia Assorbimento da gas
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Comunicazioni Wireless: Indice delle varie Soluzioni Disponibili
Panoramica su:
Wireless LAN – IEEE 802.11
Wireless MAN
IEEE 802.16 – WiMAX/WirelessMAN
IEEE 802.20 – MBWA/Vehicular Mobility
IEEE 802.11 - WiFi & Mesh Networking
Cellular Networks
Wireless PAN (IEEE 802.15)
Bluetooth
ZigBee
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Wireless Space
Data Rate (Mbps)
Tra
ns
mis
sio
n r
an
ge
0.01 0.1 1 10 100
<100m
~250m
~1 mile
< 10 miles
> 1000s miles
802.15.4
ZigBee 802.15.1
Bluetooth
802.11
WiFi
802.16
WiMAX
802.20
MBWA
Cellular
Satellite
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Spazio delle Comunicazioni Wireless:
con maggiore dettaglio…
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 13
Spazio delle Comunicazioni Wireless:
con maggiore dettaglio…
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Standard IEEE 802.x per Local Area Networks (LAN)
Gli standard IEEE 802.x definiscono:
Protocolli a livello fisico
Protocolli a livello data link
Medium ACcess (MAC) sub-layer
Logical Link Control (LLC) sub-layer
Higher network layers
Physical layer
Data link layer
802.2 Logical link control
Medium access control
802.3 802.5
CSMA/CD bus
Token-passing ring
802.11
CSMA radio
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Ethernet/IEEE 802.3
basato su CSMA/CD Algoritmo CSMA/CD:
Effettuare sensing del canale Se idle, trasmissione immediata
Se occupato, attendere fino a che il canale ritorna idle
Collision Detection Abort immediato di una trasmissione se avviene detection di
collisione
Tentativo successivo di trasmissione dopo attesa per intervallo di tempo random
Perché CSMA/CD?
CSMA riduce numero di collisioni
CD riduce l’impatto negativo di potenziali collisioni
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Esattamente
Algoritmo Ethernet
1-persistent CSMA + binary exponential backoff
Sensing del canale
Se idle, trasmissione immediata
Altrimenti, attesa fino a che canale idle e trasmissione
immediata
Se c’è detection di collisione
Scelta casuale di uno slot di trasmissione nel range [0, 2n),
dove n=min(10,k) e k numero di collisioni già “subite” per
trasmissione di quel frame
Lunghezza slot = 2 * end-to-end propagation delay
Trasmissione durante quello slot
Algoritmo si adatta a cambiamenti nel carico di rete
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Wireless LAN o
IEEE 802.11
Comunicazioni wireless a corto raggio
Range di trasmissione <250m
Banda fino a 54Mbps
802.11b (2Mbps and 11Mbps at 2.4GHz)
802.11a (54Mbps at 5GHz)
802.11g (54Mbps at 2.4GHz) – compatibile con
802.11b
Standardizzazione dei livelli per accessi multipli
(MAC), per mezzo fisico e sicurezza (supporto parziale)
Tipicamente no Quality of Service
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Problemi Principali
IEEE 802.11
Da molti punti di vista, simile a Ethernet, ma:
CSMA/CD potrebbe funzionare correttamente in wireless?
CD non possibile a causa di problemi di attenuazione
Anche CS ha problemi: non tutti nodi sono nel raggio di copertura di ciascun altro nodo
Problemi classici:
Hidden node
Exposed node
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Problema del cosiddetto
Hidden Node
C non è in grado di essere consapevole della trasmissione di A (out of range) e quindi comincia a trasmettere verso B
Collisione!
A B C
A comincia a trasmettere verso B
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 20
B comincia trasmissione verso A
C si accorge di questa trasmissione e non invia verso D
Errore: questa trasmissione non avrebbe interferito con A e D
A B C D
Problema del cosiddetto Exposed Node
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Multiple Access
Collision Avoidance (MACA)
B vuole trasmettere verso C
B trasmette un primo frame Ready To Send (RTS) verso C. Il
frame contiene la lunghezza dei dati da trasmettere
C risponde con un frame Clear To Send (CTS)
Altri nodi che fanno overhearing del frame RTS devono rimanere
in silenzio sufficientemente a lungo per consentire a C di
replicare con CTS
Altri nodi che fanno overhearing di CTS devono rimanere in
silenzio per la durata della trasmissione di B
A B C D
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 22
MACA: Collisioni Possibili?
Collisioni possono accadere comunque
Ad esempio, simultaneo invio di frame RTS
Perlomeno frame dati non possono avere collisioni
Soluzione: nodi fanno ritrasmissioni usando l’algoritmo classico Ethernet, ovvero binary exponential backoff
Provate a controllare quanto spesso il meccanismo RTS/CTS è utilizzato nella vostra rete WiFi?
Come? Ad esempio tramite sniffing del canale radio…
Mai usato WireShark o similari?
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 23
Due Possibili
Configurazioni IEEE 802.11
Ad hoc: tutti i nodi sono potenzialmente mobili e comunicano direttamente gli uni con gli altri Quanti hop? Quale affidabilità? Quale latenza siamo disposti ad
accettare? Quale trade-off fra questi elementi?
Quali problemi/sfide se lo realizzaste con gli algoritmi MAC-routing-trasporto che conoscete?
Differenze rispetto a Wi-Fi Direct? Dispositivi Wi-Fi Direct ospitano sw access point ("Soft AP")…
Base station:
Nodi fissi connessi a rete wired network svolgono ruolo di access point (o stazioni base) per comunicazioni wireless
Nodi mobili comunicano attraverso access point
Nodi mobili operano scan occasionali nella località per cercare nuovi/altri access point usando un protocollo probe/response
Quali problemi/sfide se lo realizzaste con gli algoritmi MAC-routing-trasporto che conoscete? Ad esempio, passaggio da un access point ad un altro
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 24
Wireless MAN:
IEEE 802.16 o WiMAX
Obiettivo: broadband access in aree metropolitane
Perché?
Domanda crescente per connessioni di rete locale ad alta velocità
Fibra/cavo ad alta capacità verso ogni utente è economicamente non sostenibile (pensate a uso WiMAX in aree montane o per coperture aree geografiche scarsamente abitate)
IEEE 802.11 è a corto raggio (250m circa in condizioni ottimali)
Comunicazioni cellulari (vedremo una panoramica nel seguito) potrebbero essere o sono percepite come troppo costose per data rate offerto
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 25
Wireless MAN:
IEEE 802.16
Standard IEEE 802.16 copre “last mile”
Data rate massimo = 70Mbps (IEEE 802.11g ha data rate
di 54Mbps; tecnologie cellulari: qualche centinaio di Kbps, al
massimo pochi Mbps)
Ottimizzato per “fixed station”
Idea: ogni edificio equipaggiato con una antenna
(subscriber station) che comunica con base station
centrali, cablate wired verso Internet
Commutazione di circuito, architettura gerarchica
Secondo voi, perché scarsa diffusione, specie in alcuni
contesti nazionali (ad es. Italia)?
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 26
Wireless MAN:
IEEE 802.20 – Vehicular Mobility
IEEE 802.20 copre i livelli fisico e MAC per sistemi wireless mobile
broadband
Opera in licensed band sotto 3.5 GHz
Ottimizzato per comunicazione di IP-data
Data rate di picco in downlink per utente > 1 Mbps
Data rate di picco in uplink per utente > 300 Kbps
Numero di utenti simultaneam. attivi più alto che negli altri sistemi mobili
esistenti
Supporta differenti classi di mobilità veicolare, fino a 250 Km/h in
ambiente MAN
Ma quali altri problemi possono sorgere in termini di routing,
trasporto, applicativo?
e IEEE 802.11p? …
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 27
IEEE 802.11p – Vehicular Mobility
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Wireless MAN:
Copertura WiFi?
Facoltà di Ingegneria di Viale Risorgimento relativamente
ben coperta da access point WiFi
Come coprire regioni più ampie?
Già fatto da diverse città di varie dimensioni Akron, Ohio; Albany, New York; Anderson, Indiana; Aparecida, Brazil; Balanga City, Philippines
(limited to downtown and several tourist attractions only); Bangkok, Thailand; Belo Horizonte,
Brazil; Binghamton, New York; Bologna, Italy (historical city center); Boston, Massachusetts;
Bristol, UK (3 km area around city centre); Calbayog City, Philippines; Calgary, Alberta;
Cambridge, Massachusetts (pilot); Cambridge, Ontario; Chandler, Arizona; Clearwater Beach,
Florida; Corpus Christi, Texas; …
City-wide WiFi mesh network, IEEE 802.11s, ad esempio
Philadelphia (135 miglia quadrate, 4000 lampioni, 1,5M utenti), Houston,
Cerritos (CA, 8.6 miglia quadrate, 130 nodi), Portsmouth (UK, gestione
flotta bus), …
Domanda aperta: che cosa vuol dire organizzare e gestire una WiFi
mesh network? Quali sfide tecnologiche?
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 29
IEEE 802.11 per
Municipal Mesh Network
Stazioni base IEEE 802.11 formano una infrastruttura e possono comunicare fra loro in modo wireless Formano una maglia (rete mesh)
Sono capaci di gestire handoff delle connessioni cliente da una stazione base ad un’altra (supporto alla mobilità)
Quali differenze tecniche rispetto a IEEE 802.11 “usuale”?
Perché soluzione a mesh? Costo, robustezza, …
Possibilità di connettere solo alcune stazioni base a Internet in modo wired
Idealmente ogni access point domestico o in un campus universitario o perfino ogni nodo mobile può contribuire all’infrastruttura mesh Quali problemi? Quali necessità?
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 30
WiFi Direct
Wi-Fi Direct, o Wi-Fi P2P (nome iniziale),
enabler per connessione diretta di dispositivi, anche multi-punto, concorrente di Bluetooth per applicazioni che non necessitano di requisiti di basso consumo
Solo uno dei dispositivi Wi-Fi deve essere conforme a Wi-Fi Direct per stabilire connessione peer-to-peer
Tecnicamente Wi-Fi Direct essenz. obbliga ogni dispositivo
conforme a implementare un software access point (Soft
AP). Soft AP realizza una versione delle modalità di connessione AP
chiamata Wi-Fi Protected Setup (push-button o PIN-based setup)
Quando un dispositivo entra nel range di un Wi-Fi Direct host, ottiene
info di setup da tale host tramite Protected Setup in modo semplificato e
semi-automatico
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 31
WiFi Direct Soft AP
Un Soft AP può essere più semplice o complesso a
seconda del ruolo che deve svolgere (flessibilità dello
standard). Ad esempio, un digital picture frame può fornire solo servizi di base per
connessione e upload da parte di macchine fotografiche; uno smart
phone tipicamente consente data tethering con capacità di bridge
verso Internet
“Pairing" di dispositivi Wi-Fi Direct può essere configurato
per richiedere prossimità “vera” fra dispositivi, ad esempio,
tramite verifica di presenza di segnali Near Field Communication (NFC)
o Bluetooth (e/o esplicito button press da parte dell’utente)
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 32
Reti Cellulari:
Idea Base
Molte antenne di trasmissione a bassa potenza (800-900MHz)
Perché? Scalabilità e deployment incrementale
Area geografica divisa in celle adiacenti
Ogni cella servita da una stazione radio base (Base Station - BS) Analogo a quanto visto per IEEE 802.11 BS (access point)
Frequenze radio possono essere riutilizzate in celle non adiacenti, purché un intervallo spaziale di non interferenza sia rispettato
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 33
Architettura
Rete Cellulare
Mobile
Switching
Center
Rete Wired
Mobile
Switching
Center
connette celle a WAN gestisce setup chiamate locali gestisce mobilità
MSC
copre una regione geografica base station utenti mobili si collegano alla rete tramite BS air-interface: protocolli a livello fisico e link fra dispositivi mobili e BS
cella
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 34
Una Pletora di Standard
Differenziati per Reti Cellulari (1)
Sistemi 2G: canali solo voce (ma già tecnologia digitale
sia in comunicazione che commutazione)
IS-136 TDMA: FDMA/TDMA combinati (N.America)
Global System for Mobile communications (GSM): FDMA/TDMA
combinati
Più ampiamente diffuso e utilizzato
IS-95 Code Division Multiple Access (CDMA)
Sistemi 2.5G: canali per voce e dati
Estensioni a 2G prima della diffusione di 3G
General Packet Radio Service (GPRS)
Evoluzione di GSM
Data inviati su canali multipli, quando disponibili
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 35
… 2.5G
Enhanced Data rates for Global Evolution (EDGE)
Anche in questo caso evoluzione di GSM; cambio di modulazione
Data rate fino a 384Kbps
Sistemi 3G: canali voce e dati, ovviamente
Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS)
Ulteriore passo evolutivo di GSM, ma con utilizzo di CDMA
CDMA-2000
WCDMA
Sistemi 4G: canali voce e dati, ovviamente
Data rate fino a 20Mbps
Indicati spesso con termine LTE o LTE-Advanced
Già disponibile in Giappone dal 2006
Standard per Reti Cellulari (2)
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 36
Standard per Reti Cellulari:
Evoluzione
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 37
Reti Cellulari:
da Circuit a Packet Switching
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 38
Architettura Generale
di GSM (1)
BSS
MSC
VLR
HLR
EIR
AUC
MT
TE
MS
Um
A
PSTN
BSC
BTS BTS
OMC
NMC
ADC
OSS
BSS
MS
GSM Public Land Mobile Network (PLMN)
OSS: Operation Subsystem BSS: Base Station Subsystem MS: Mobile Station
Abis
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 39
MS comunica con varie BSS attraverso sua interfaccia
radio Um
Mobile Terminal (MT) supporta canali fisici fra MS e
BSS (trasmissione radio, coding del canale, coding della
conversazione voce, …)
Terminal Equipment (TE) contiene dati terminal/user-
specific (anche profili utente) e smart card (ad es. SIM)
Identifica l’utente verso la rete, ad es. in caso di supporto a
mobilità personale (in aggiunta alla mobilità terminale) e sicurezza
By the way, conoscete la differenza fra user mobility,
terminal mobility, session/resource mobility?
Architettura Generale
di GSM (2)
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 40
Organizzazione gerarchica e principio di località
BSS comunica con MSC attraverso l’interfaccia di rete A
Base Transceiver Station (BTS) gestisce allocazione di canale, signaling, frequency hopping, triggering handover, …
BTS comunica con Base Station Controller (BSC) usando l’interfaccia Abis
BSC gestisce canali radio, paging, handoff per diverse BTS
MSC svolge ruolo di gateway verso PSTN e reti packet data
Si occupa di switching, paging, aggiornamento locazione di MS,
controllo handoff, …
Home Location Register (HLR) memorizza info di subscriber e parte
delle info locazione di MS per effettuare routing delle chiamate in ingresso
verso Visitor Location Register (VLR) opportuno
VLR memorizza la lista degli utenti “in visita” nella sua area e assegna
i cosiddetti roaming number
Architettura Generale
di GSM (3)
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 41
AUthentication Center (AUC) è acceduto da HLR per
l’autenticazione utente all’accesso a servizi
Equipment Identity Register (EIR) supporta l’identificazione
di MS rubate o fraudolente (furto di identità)
OSS si occupa di monitoraggio, controllo e gestione della rete
Operations and Maintenance Center (OMC)
Network Management Center (NMC)
ADministration Center (ADC)
Architettura Generale
di GSM (4)
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 42
Mobile
Switching
Center
old BSS new BSS
old
routing
new
routing
Handoff GSM
(con MSC comune)
Motivazioni alla base di
handoff (o handover)
Segnale più forte da/verso nuovo
BSS (connettività “più continua”,
minore consumo batteria, …)
Bilanciamento di carico: può
liberare canali nel BSS corrente
GSM non specifica perché operare
handoff (policy), ma solo come
(meccanismi)
Handoff avviato dal vecchio
BSS
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 43
Mobile
Switching
Center
old BSS
1
3
2 4
5 6
7 8
new BSS
1. Vecchio BSS informa MSC della necessità di
effettuare handoff, fornendo una lista di uno o
più nuovi BSS
2. MSC configura nuovo path (allocazione di
risorse) verso il nuovo BSS
3. Nuovo BSS alloca canale radio che il
“visitatore” mobile dovrà utilizzare
4. Nuovo BSS segnala a MSC e vecchio BSS il
suo stato di ready
5. Vecchio BSS informa dispositivo mobile che
deve essere effettuato handoff verso nuovo
BSS
6. È dispositivo mobile che segnala al nuovo
BSS di attivare nuovo canale
7. Dispositivo mobile segnala a MSC, attraverso
nuovo BSS, che handoff è completo; MSC fa
re-routing della chiamata
8. Rilasciate risorse sul path MSC-to-OldBSS
Handoff GSM
(con MSC comune)
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 44
home network (contiene home location register)
MSC
PSTN
correspondent
MSC
anchor MSC
MSC MSC
(a) prima di handoff
Anchor MSC: primo MSC
visitato durante la chiamata
Chiamata rimane instradata
attraverso anchor MSC
Nuovi MSC si aggiungono alla
fine della catena di MSC mano
a mano che il dispositivo mobile
si muove
IS-41 permette di minimizzare il
path (funzionalità opzionale)
nella catena multi-MSC
Handoff GSM
(MSC differenti)
HLR
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 45
home network
MSC
PSTN
correspondent
MSC
anchor MSC
MSC MSC
(b) dopo handoff
Handoff GSM
(MSC differenti)
Anchor MSC: primo MSC
visitato durante la chiamata
Chiamata rimane instradata
attraverso anchor MSC
Nuovi MSC si aggiungono alla
fine della catena di MSC mano
a mano che il dispositivo mobile
si muove
IS-41 permette di minimizzare il
path (funzionalità opzionale)
nella catena multi-MSC
HLR
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 46
Parentesi su Handoff (ne parleremo più avanti nel dettaglio…)
Molte categorizzazioni possibili (vedi anche ampia
letteratura nel settore)
Handoff orizzontale (connettività omogenea) o
verticale (connettività eterogenea)
Mobile-initiated o Network-initiated. Anche, dove
viene presa la decisione di handoff?
Quando effettuare triggering di handoff?
Reattivo
Proattivo
Come scegliere rete destinazione?
Quali indicatori di monitoraggio considerare e quali
metriche?
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 47
Parentesi su Handoff (ne parleremo più avanti nel dettaglio…)
Gestione hard handoff o soft handoff (abilitare
concorrentemente più interfacce radio o una sola?)
Quali vantaggi e svantaggi?
Addirittura cammini multi-path, anche eterogenei…
Quali problemi? Che cosa è correntemente
supportato?
Sforzo di standardizzazione e IEEE 802.21 – Media
Independent Handover Services (sia reti 802 che non 802)
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 48
Wireless PAN:
Bluetooth o IEEE 802.15.1
Interfaccia radio (banda 2.4 GHz) usata per
connessione e comunicazione fra
dispositivi wireless
Progettata come tecnologia per
cable replacement
Potrebbe? essere utilizzata per
comunicazioni multi-hop in reti
ad hoc
Short-range: 10-100 m
Data rate di picco: 1 Mbps
Basso costo: obiettivo di $5-$10
per interfaccia
Gestisce sia voce che dati
Cordless
headset
Cell
phone
mouse
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 49
Bluetooth
Tecnologia Bluetooth nasce nel 1998 dall’alleanza di IBM, Ericsson, Intel,
Nokia e Toshiba (Bluetooth SIG)
Obiettivo: realizzare un sistema di comunicazione radio a
corto raggio, basato su un componente di piccole
dimensioni e basso costo
Bluetooth SIG ha definito le specifiche di un set di protocolli per la
comunicazione radio e del relativo stack software
Oltre alle specifiche di base, sono stati definiti dei profili che
descrivono l’utilizzo dei protocolli garantendo la comunicazione
tra dispositivi eterogenei
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 50
Bluetooth
Comunicazione 2.4 GHz (stessa frequenza
di IEEE 802.11) in frequency hopping
Banda teorica di 1306 kb/s (v2.0 + EDR)
Potenza assorbita: 1mW–10 mW
Piconet: rete con un master e al più 7 slave
Scatternet
Differenze rispetto a IEEE 802.11 infrastrutturato:
Comunicazioni punto-punto (tra master e slave)
Necessita di discovery dei dispositivi e dei servizi
Meccanismo di broadcast molto limitato
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 51
Stack Protocollare
Radio, Baseband e Link Manager
sono usualmente implementati in
firmware
I livelli più alti usualmente in
software
Quale tradeoff fra
implementazioni ai diversi
livelli?
Applicazioni interagiscono con
firmware attraverso Host
Controller Interface (HCI)
Interfacce definite: RS232,
USB, PC Card RF Baseband
Link Manager Audio
L2CAP
Data
RFCOMM SDP IP
Applications
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 52
Formazione della Topologia
Bluetooth definisce un protocollo per costruzione della topologia corrente implementato a livello baseband
1. Fase di Inquiry: un nodo che necessita di comunicare fa il discovery dei nodi vicini (all’interno raggio trasmissione)
Chi avvia il protocollo viene indicato come master, i nodi discovered vengono detti slave
2. Fase di Page: master stabilisce un canale di comunicazione bidirezionale (frequency hopping) con i suoi slave
Piconet è l’unità topologica di base per Bluetooth
Un master
Fino a 7 slave attivi (fino a 256 slave in stato parked)
Unico canale in frequency hopping
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 53
Fase di Inquiry
Obiettivo: raccogliere sufficienti info sui nodi vicini in modo tale da stabilire una piconet
Standby mode
Inquiry mode
Inquiry scan mode (within transmission range)
Inquiry scan mode (outside range)
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 54
Fase di Inquiry
Nodi che hanno bisogno di comunicare entrano in Inquiry
mode
Trasmettono loro short ID (Inquiry Access Code – IAC)
Attendono risposte dai vicini
Per risparmiare energia, gli altri dispositivi alternano
Inquiry Scan mode e Standby mode
Inquiry Scan = in ascolto per richieste di comunicazione
Nodi rispondono quando necessario
Dopo un intervallo di tempo predefinito, master entra nella
fase di Page purché abbia ricevuto almeno una risposta
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 55
Fase di Page
Master conosce valore di
clock stimato e BT_ADDR
per ogni slave
Master fa broadcast dei
pacchetti con ID
Quando uno slave
risponde, master e slave
procedono con lo
scambio delle info
necessarie per stabilire una
connessione
Comunicazione in piconet
è connection-oriented
Master in Page mode
Slave in Page scan mode (within transmission range)
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M
Bluetooth: Temporizzazione e Clock
Bluetooth prevede di sincronizzare maggior parte delle
operazioni con segnale di clock in tempo reale. Ad esempio,
per sincronizzare scambi di dati tra dispositivi, distinguere
tra pacchetti ritrasmessi o persi, generare una sequenza pseudo-casuale
predicibile e riproducibile
Clock Bluetooth è realizzato con contatore (28 bit) che viene posto a 0
all'accensione del dispositivo e si incrementa ogni 312,5 µs (metà slot)
Ogni dispositivo Bluetooth ha il suo native clock (CLKN)
CLK: clock piconet, coincide con CLKN dell'unità master della
piconet. Tutte unità attive piconet devono sinc. proprio CLKN con CLK
CLKE: anche questo clock è derivato tramite offset da CLKN; è usato
dal master nel caso di creazione di connessione verso nuovo slave,
prima che tale slave sia sincronizzato con master
Una trasmissione da parte del master comincerà sempre quando CLK[1:0]
= 00 (slot di indice pari), mentre una trasmissione da parte di
uno slave comincerà sempre quando CLK[1:0] = 10 (slot di indice dispari)
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Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M
Bluetooth: Tipi di Connessioni
I collegamenti BT possono essere di due tipi: orientati alla
connessione e senza connessione, pensati per supporto
applicazioni voce e trasferimento dati: servizio asincrono senza
connessione (ACL, Asynchronous ConnectionLess) e servizio sincrono
orientato connessione (SCO, Synchronous Connection Oriented)
ACL, traffico di tipo dati e servizio best-effort
ACL supporta connessioni a commutazione di pacchetto,
connessioni punto-multipunto e connessioni simmetriche/ asimm.
Connessioni simm con datarate massimo di 433,9 kbit/s, connessioni
asimm 723,2/57,6 kbit/s; slave può trasmettere solamente se nello
slot precedente aveva ricevuto un pacchetto dal master
SCO, connessioni con traffico di tipo real-time e multimediale
Connessioni a commutazione di circuito, punto-punto e simmetriche,
trasporto voce in canali da 64 kbit/s usualmente; master può
supportare fino a tre collegamenti SCO verso stesso slave o
verso slave differenti nella stessa piconet, no ritrasmissione in caso
di errore o perdita (perché?)
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Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M
Bluetooth: Frequency Hopping
Bluetooth usa frequency hopping in banda 2.4 GHz ISM (79 frequenze di hop spaziate di 1 MHz). Sequenza di hopping
determinata sulla base di indirizzo master; tutti dispositivi in
piconet devono seguire stessa sequenza
Master comunica a turno con ogni slave in modo periodico
Tempo diviso in slot da 625us
Master trasmette all’inizio di slot pari, slave a inizio di slot dispari
Necessità di sincronizzazione a livello di piconet
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Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M
Bluetooth: Frequency Hopping
In connessioni SCO, canale “prenotato” per 2 time slot per
comunicazione fra master e uno specifico slave
Periodicità di slot riservati decisa dal master (simile a circuit
switching); time slot sono allocati indipendentemente da necessità di
trasmissione
Trasmissioni ACL possono avvenire in pause fra slot riservati SCO
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Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 60
Stato dei Dispositivi
Standby
Master Slave
Inquiry
Inquiry Scan
Inquiry
Response Page
Page Scan
Slave
Response Master
Response
Connection Connection
Connection
Active
Hold
Park
Sniff
Consentono di ampliare il
numero di dispositivi
presenti in una piconet
Stati a Basso Consumo
Stati che consentono di
realizzare la connessione
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 61
Comunicazioni
in una Piconet
Canale diviso in time slot – ciascuno di 625µs
Time Division Duplex: master e i suoi slave si alternano in trasmissione/ascolto
m
s1
625 µsec
f1 f2 f3 f4
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 62
Service Discovery
Protocol (SDP)
Per scoprire dispositivi e servizi disponibili, applicazioni Bluetooth si servono di Service Discovery Protocol
Ogni server mantiene aggiornato database consultabile dai client, contenente i service record relativi ai servizi offerti
Dispositivo Server
SDDB
Service Record 1
Dispositivo Client
Registrazione del
Servizio nel Service
Discovery DataBase Server e
Servizio
trovati
Richiesta di
connessione
Connessione
accettata
Inquiry in
corso… Connessione
effettuata Utilizzo
Servizio
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 63
Bluetooth Supporta
Comunicazioni Multi-Hop?
Ad esempio, come fa nodo 1 a comunicare con nodo 7 se la distanza fra questi due nodi è superiore al loro raggio di trasmissione?
2
1
3
4
Piconet 1
6
5 7
Piconet 2
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 64
Bluetooth Scatternet
Collegamento di piconet multiple, situate in prossimità, attraverso la condivisione di un master comune o di uno slave comune
Un nodo può essere slave in una piconet e master in un’altra
Tale nodo si “muove” avanti e indietro fra le due piconet
Per lungo tempo, nessuna implementazione commerciale disponibile (solo alcuni esperimenti accademici)
2
1 3
4
Piconet 1
6
5 7
Piconet 2
Nodo 4 svolge il ruolo di master in Piconet1 e di slave in Piconet 2
Può essere creato un path da nodo1 a nodo7 attraverso nodi 4 e 6
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 65
Problema di
Clash Inquiry/Paging
I valori massimi si verificano quando dispositivi
multipli, all’interno del raggio di trasmissione di ciascun
altro, entrano in modalità Inquiry/Page nello stesso
intervallo
Connected Paging Inquiry
Tipico
Max
5.12 s
15.36 s
0.64 s
7.38 s
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 66
Parentesi di Esempio:
Sviluppare in Java per Bluetooth
In Java, ad esempio si possono
utilizzare MIDlet, ovvero applicazioni
Java per dispositivi portatili con
risorse limitate e conformi al profilo
MIDP
Esempio di stack di strumenti per lo
sviluppo: Java JDK 1.6
API JSR-82 BlueCove 2.1.0
Linux 2.6 e librerie BlueZ 4.30
hcitool, hcidump
Per semplificare la realizzazione di applicazioni basati su tecnologia Bluetooth, Sun Microsystems ha realizzato le API JSR-82
API forniscono valido supporto nella creazione di applicazioni reali, pur comprendendo solo alcuni dei protocolli e profili definiti nelle specifiche Bluetooth
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 67
Wireless PAN:
ZigBee o IEEE 802.15.4
Standard specificamente pensato per reti di sensori e attuatori con requisiti di affidabilità, cost-effectiveness e bassa potenza
Applicazioni: Controllo di home appliance
Automazione e controllo di grandi edifici e impianti industriali
Monitoring di pazienti, soprattutto domestico
Monitoring ambientale
Sicurezza militare/homeland
Come Bluetooth, fornisce profili per livelli più alti dello stack di supporto
e applicazioni
Fino a 65536 nodi (clienti) di rete
Ottimizzati per applicazioni time-critical e per ridotto consumo di potenza
Join < 30ms; Passaggio da sleep a active < 15ms
Supporto a networking full mesh
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 68
Topologie ZigBee
PAN coordinator
Full Function Device
Reduced Function Device
Star
Mesh
Cluster Tree
Panoramica su Comunicazioni Wireless - Sistemi Mobili M 69
Tipologie di Funzioni
e Opzioni Accesso al Canale
Tipologie di funzioni per dispositivi ZigBee
Coordinatore (uno e uno solo per ogni rete ZigBee)
Avvia formazione della rete
Può agire come router una volta che la rete si è formata
“Full” device
Partecipa al routing dei messaggi
Device con funzionalità ridotte
Solo sensing o operazioni da actuator, no routing
Opzioni per accesso al canale Rete non-beacon
Si utilizza CSMA-CA, in modo pressoché analogo a quanto visto in prec.
Ack positivi per pacchetti ricevuti con successo
Rete beacon-enabled
Coordinatore trasmette beacon a intervalli di tempo predefiniti
Banda dedicata e bassa latenza
Modalità a basso consumo anche per coordinatore