Università di Roma “La Sapienza”
Corso di Laurea Specialistica in Informatica
Reti Avanzate Sistemi wireless
(lezione introduttiva congiunta)
Dott.ssa Chiara Petrioli
a.a 2007/2008
Si ringraziano per questo materiale Il Prof. Antonio Capone, Politecnico di
Milano e il Prof. Giuseppe Bianchi, Universita’ di Tor Vergata
Università di Roma “La Sapienza”
Corso di Laurea Specialistica in Informatica
1 - Introduzione al corso
Reti Avanzate
Il 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/chiarapetrioli.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





3
Scopo 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
4
Scenario di riferimento ad oggi
WIMAX
Ambient
intelligence
5
Scenario di riferimento ad oggi-RA
WIMAX
-Introduzione alle reti radiomobili
-sistemi cellulari di seconda e terza
generazione
-Come pianificare unAmbient
sistema cellulare
intelligence
6
Scenario di riferimento ad oggi-Reti Avanzate
WIMAX
Ambient
intelligence
-802.11
-Estensione delle reti cellulari: Reti Ad Hoc
- TCP over wireless
-Sicurezza delle reti radio: problematiche e soluzioni
7
Scenario di riferimento ad oggi-Sistemi wireless
WIMAX
Ambient
intelligence
-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
8
(ambient intelligence)
Scenari 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
9
Scenari 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
Esempi
di ditteamolto
attive:
Competenze per
inserirsi
pieno
in questo settore
Philips, IBM,
Varie Telecom,
Nokia,elettronica+
Siemens, Ericsson,
emergente:
informatiche
(reti)+
teoria
Finmeccanica,
EADS, Thales, Ditte automobilistiche,
dei controlli+
middleware
INGV, protezione civile, …
10
Scenari 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
Buona notizia:
Esempi
tutte
diqueste
ditteamolto
ditte
vedono
attive:
la differenza
Competenze
per
inserirsi
pieno
in questo
settore
Philips, IBM,
trainformatiche
unVarie
laureato
Telecom,
triennale
Nokia,
e elettronica+
specialistico
Siemens, Ericsson,
emergente:
(reti)+
teoria
Finmeccanica,
Buona notizia
EADS,
2: concrete
Thales,
possibilità
Ditte automobilistiche,
di specializzarvi
dei controlli+
middleware
INGV,inprotezione
questo settore
civile, …
11
Laboratorio interdipartimentale
12
Attività 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
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
Sensor networks test-beds
•Implementation of
•IRIS
•ALBA-R
•Tools for remote control
and management of WSN
Test-beds
• HW prototyping targeted to
Specific applications
•Real-life applications
•Structural monitoring
•Historical building
monitoring
•Environmental monitoring
•Precision agriculture
13
Attività in corso
Sensor Networks
•Low power design
Sensor networks test-beds
•Clustering schemes
•Implementation of
•Cross layer optimized protocols stacks (design and
•IRIS
implementation)
•ALBA-R
•ALBA-R
Heterogeneous wireless networks
•Tools for remote control
•IRIS
(applied to assisted living)
and management of WSN
• Exploiting mobility in sensor networks
-Middleware to optimize performance
Test-bedsand
handle heterogeneity in•WSNs
HW prototyping targeted to
-Implementation and test of Specific
protocolsapplications
designed for heterogeneous
Underwater sensor networks
•Real-life applications
environments
•Cross layer optimization of acoustic USNs
•Structural monitoring
heterogeneous
devices
•Design of a framework for evaluating-Multiradio
solutions (with
MIT)
•Historical building
monitoring
•Environmental monitoring
Securing sensor networks
•Precision agriculture
• key management schemes
• secure routing , secure data aggregation
14
Embedded Systems—testing infrastructure
15
Embedded Systems—testing infrastructure
Possibilità di attività complementari all’interno del laboratorio
Borse di studio per attività all’interno del laboratorio e/o per
16
contribuire alla realizzazione del test-bed (prox mesi)
Università di Roma “La Sapienza”
Corso di Laurea Specialistica in Informatica
Introduzione alle Reti Radiomobili
Scenario di riferimento
 Diversi modelli di reti radio mobili e breve
storia delle reti radiomobili
Caratteristiche delle reti radiomobili

Errori nella trasmissione
 Risorse (banda/energia) limitate
 Medium Access Control
 Gestione della mobilità

Reti Avanzate
Reti 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?
wireless
wired
18
Caratteristiche





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
19
Penetrazione dell’accesso wireless e
dell’accesso a Internet


Telefoni cellulari: circa 2 miliardi
Connessione a Internet: circa 1 miliardo di persone

No. America
Europe
Asia

WORLDWIDE


Wireless
70%
75%
18%
Internet
70%
40%
9%
30%
15%
Riferimenti: a) GSM Association
b) CDMA Development Group
c) Internetworldstats.com
Da: Keynote speech Dr. Andrew Viterbi, ACM MobiCom 2006
20
Argomenti trattati in RA
WIMAX
Ambient
intelligence
21
Modelli di Reti Wireless

1) Reti con punto di accesso fisso (cellulari)
Rete fissa

Solo collegamenti
terminale mobile –
punto di accesso fisso 22
Architettura di una rete radio
(rete cellulare)
rete di trasporto
wired
rete d’accesso
wireless
23
Reti Wireless

2) Reti wireless ad-hoc (Wireless LAN)


Anche
collegamenti
mobile- mobile
nella modalità
multi-hop i
mobile hanno
funzionalità di
inoltro dei
pacchetti
24
Motivazioni 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 fissa
25
Organizzazione 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
26
Requisiti 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”
27
Problemi 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
…..
28
Rete telefonica – Rete cellulare


Cosa c’è di diverso in una rete cellulare che offre
un servizio di telefonia (mobile)?
Mezzo radio ha banda
Rete d’accesso
limitata ed è condiviso
 canale wireless
tra più utenti
 mezzo trasmissivo condiviso e non dedicato
Centale
telefonica
Doppino
telefonico
Canale
Radio
29
Rete telefonica – Rete cellulare


Cosa c’è di diverso in una rete cellulare che offre
un servizio di telefonia (mobile)?
Codifica della voce
 per risparmiare risorse radio si abbandona il
vecchio PCM a 64 Kbit/s e si passa a
codificatori a bassa velocità
13 kb/s (GSM)
Codifica di
sorgente
Mezzo radio ha banda
limitata ed è condiviso
tra più utenti
30
Copertura 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
Base
Station
radio
ha banda
Mezzo
limitata ed è condiviso
tra più utenti
Mobile
Station
Cella=Area di copertura
di una BS
Cella
IDEA=
RIUSO delle
frequenze
31
Rete telefonica – Rete cellulare


Cosa c’è di diverso in una rete cellulare che offre
un servizio di telefonia (mobile)?
Scarsita’ delle risorse (mezzo condiviso)
 Riuso delle risorse (esempio: concetto di riuso delle
frequenze)
 Ammissione delle chiamate solo se sufficienti risorse

Le stesse frequenze
possono essere
riutilizzate se le
trasmissioni non
32
interferiscono
Abbiamo quindi risposto alle necessità
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)
33
Rete Cellulare

La rete cellulare è costituita anche da una parte “fissa”
che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità
degli utenti
Esempio: set up chiamata, gestione mobilità
Base
Station
Mobile
Station
PLMN
Public Land Mobile Network
Accesso Radio
34
Rete Cellulare

La rete cellulare è costituita anche da una parte “fissa”
che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità
degli utenti
Esempio: set up chiamata, gestione mobilità
Base
Station
PLMN
Public Land Mobile Network
Un messaggio inviato può essere
ascoltato da tutti i dispositivi nel
raggio trasmissivo del sender
Problematiche
di sicurezza:
Mobile
Station
-autenticazione
(l’utente che accede
al Radio
Accesso
servizio ha il diritto di farlo?)
-cifratura (per proteggere la confidenzialità
dei dati trasmessi)
35
Rete Cellulare

La rete cellulare è costituita anche da una parte “fissa”
che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità
degli utenti
Esempio: set up chiamata, gestione mobilità
Base
Station
PLMN
Public Land Mobile Network
Come siMobile
allocano le risorse per una
Station
Accesso Radio
chiamata? Come si decide quale
chiamata deve essere accettata e quale
rifiutata nel caso di risorse radio limitate?
36
Rete Cellulare

La rete cellulare è costituita anche da una parte “fissa”
che gestisce tutti i servizi di comunicazione e la mobilità
degli utenti
Esempio: set up chiamata, gestione mobilità
Base
Station
Mobile
Station
PLMN
Public Land Mobile Network
Come faccio a sapere dove si trova un utente
(e quindi come istradare una chiamata verso
di lui?)
Accesso Radio
Come faccio a mantenere attiva una chiamata
nel caso in cui il movimento di un utente in
Conversazione gli faccia cambiare cella?
37
Rete telefonica – Rete cellulare


Cosa c’è di diverso in una rete cellulare che offre
un servizio di telefonia (mobile)?
Errori frequenti nella trasmissione
 Attenuazione, riflessione,  Interferenze
rifrazione,diffrazione del segnale
 multipath fading
100110
 vedremo piu’ avanti
 pacchetto
ricevuto
Canale
Radio
100100
 pacchetto
trasmesso
38
Rete telefonica – Rete cellulare


Cosa c’è di diverso in una rete cellulare che offre
un servizio di telefonia (mobile)?
Dispositivi portatili hanno bisogno di far affidamento su risorse di
energia esterne (ad esempio batterie) per il loro funzionamento
 Necessario minimizzare il consumo energetico (soprattutto
dell’interfaccia radionecessario per tx/rx pacchetti)
Help!
No energy!!
39
Reti 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
40
Problematiche nelle reti ad hoc
Il mezzo radio è condiviso
necessità di protocolli di
medium access control
41
Problematiche nelle reti ad hoc-MAC
A
B
D
Hidden terminal
Se A e B trasmettono un pacchetto si
verifica una collisione in D di cui né A né
B possono accorgersi direttamente
42
Problematiche nelle reti ad hoc
A
B
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)
43
Problematiche nelle reti ad hoc
A
B
Problematica unica di queste reti:
Come si istradano i pacchetti
da A a B (routing?)
44
Problematiche nelle reti ad hoc
A
B
Problematica unica di queste reti:
Come si istradano i pacchetti
da A a B (routing?)
Come gestiamo il route maintenance nel caso
Di mobilità (anche elevata dei nodi ?)
45
Problematiche nelle reti ad hoc
Help!
No energy!!
Scelte che possono minimizzare il
consumo energetico a tutti i livelli
Dello stack protocollare:controllo
di potenza, MAC, data link,
routing
Come istradare i pacchetti
minimizzando il consumo
energetico, tenendo conto
delle diverse energie
residue dei nodi
46
Problematiche nelle reti ad hoc
Non sorprende che il comitato di
standardizzazione delle reti ad
hoc. Il gruppo MANET dell’IETF
si occupi essenzialemente di
routing!
47
Rete telefonica – Rete cellulare



Cosa c’è di diverso in una rete cellulare che offre
un servizio di telefonia (mobile)?
Analizziamo adesso brevemente ciascuno di
questi aspetti
Quelli più legati alle problematiche di rete
saranno poi ripresi in seguito

canale wireless

gestione della mobilità

mezzo condiviso

codifica della voce

consumo energetico
48
Canale Wireless
risponderemo alla seguente domanda:
-quali sono le ragioni per la presenza di errori nella trasmissione ?
49
Canale 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)
50
The radio spectrum
51
The radio spectrum
52
Problemi nella propagazione del segnale

Line of sight

Reflection

Shadowing
53
Problemi nella propagazione del segnale
BS
Diffraction
MS
 When the surface
encountered has sharp edges
 bending the wave
BS
Scattering
 When the wave encounters
objects smaller than the
wavelength (vegetation,
clouds, street signs)
54
Attenuation phenomena for millimeter
waves (EHF)
55
Spectrum allocation
56
Attenuazione del segnale
Signal power
Distance BS  MS
57
Slow fading – fast fading
Signal power
 Fast fading
Short term fading
Distance BS  MS (m)
 slow fading
Long term fading
Distance BS  MS (km)
58
Attenuazione del segnale
Signal power
Vediamo di comprendere quale la
legge che consente di esprimere
l’ attenuazione del segnale in funzione
della distanza
Distance BS  MS
59
Canale 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
distanza d
sorgente

area
La densità di potenza sulla superficie di una sfera
centrata nella sorgente puntiforme e con raggio d è data
da:
PT
F
4d 2
[ W/m 2 ]
60
Esempi di antenne


Graphical representation of radiation properties of an
antenna
Depicted as two-dimensional cross section
y
y
x
side view (xy-plane)
z
z
side view (yz-plane)
y
side view (xy-plane)
top view (xz-plane)
y
x
x
z
z
side view (yz-plane)
simple
dipole
x
directed
antenna
top view (xz-plane)
61
Antenna 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)
Directivit y D 
power density at a distance d in the direction of maximum radiation
mean power density at a distance d
Gain G 
power density at a distance d in the direction of maximum radiation
PT / 4d 2

Directional antennas “point” energy in a particular direction

Better received signal strength

Less interference to other receivers

More complex antennas
62
Canale wireless : attenuazione da distanza

Indicando con gT il guadagno massimo abbiamo che la
densità di potenza in tale direzione risulta:
PT gT
F
4d 2

[ W/m 2 ]
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
63
Canale wireless : attenuazione da distanza

La potenza al ricevitore può essere espressa come:
  
PR  PT gT g R 

 4d 

2
1
L
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.
64
Programma e materiale didattico
Reti Avanzate

Programma del corso
 Introduzione alle reti radio mobili
Testo: 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.
65
Programma e materiale didattico

Programma del corso
 802.11 (standard, dispense, materiale fornito durante
il corso)
 Reti Ad Hoc
Testo: articoli forniti dal docente e disponibili sul
web/scaricabili dalle digital libraries a cui ‘La
Sapienza’ e’ abbonata

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
66
Programma e materiale didattico
Sistemi wireless

Testo: articoli forniti dal
docente, lucidi del docente
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)
67
Materiale 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 corso
fatemi avere i vostri indirizzi e-mail
68
Modalità 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
69
FINE PRIMA LEZIONE
70
Power units - decibel

Decibel (dB): modo di rappresentare in
maniera logaritmica i rapporti tra le potenza
10 log P1 / P2 
Logaritmo in base 10
PA = 1 Watt
PB = 1 milliWatt
30 dB PA = tre ordini di grandezza piu’ grande di PB
 ad esempio il guadagno dell’antenna e’ espresso in dB
71
Decibels - 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 mW = 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)
72
Example
-30.00
received power (dBm)
normalized
frequency [MHz]
900
900000000
speed of light [Km/s]
300000
300000000
lambda (m)
0.333333333
gain Tx
1
Gain Rx
1
Loss
1
Ptx [W]
5
distance (Km) Prx W
Prx dBm
200
8.80E-08
-40.56
400
2.20E-08
-46.58
600
9.77E-09
-50.10
800
5.50E-09
-52.60
1000
3.52E-09
-54.54
1200
2.44E-09
-56.12
1400
1.79E-09
-57.46
1600
1.37E-09
-58.62
1800
1.09E-09
-59.64
2000
8.80E-10
-60.56
2200
7.27E-10
-61.39
2400
6.11E-10
-62.14
2600
5.20E-10
-62.84
2800
4.49E-10
-63.48
3000
3.91E-10
-64.08
3200
3.44E-10
-64.64
3400
3.04E-10
-65.17
3600
2.71E-10
-65.66
3800
2.44E-10
-66.13
4000
2.20E-10
-66.58
4200
1.99E-10
-67.00
4400
1.82E-10
-67.41
4600
1.66E-10
-67.79
4800
1.53E-10
-68.16
5000
1.41E-10
-68.52
-40.00
-50.00
-60.00
-70.00
0
1000
2000
3000
4000
5000
distance (m)
73
Computation with dB
Se la potenza ricevuta è
inferiore ad una certa
soglia il segnale non può
essere correttamente
ricevuto
74
Canale wireless : attenuazione da distanza



La
  
PL  

 4d 
2
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.)
75
Canale wireless : attenuazione da distanza



La
  
PL  

 4d 
2
rappresenta l’attenuazione da spazio libero.
PT non è l’unica
PT che subisce il segnale ma
Tale attenuazione

2 presenti a causa
anche altre attenuazioni
possono essere
PR
  1

dell’atmosfera (dipendente
frequenza
e da nebbia,
PT gT gdalla

R
 4d  L riflessione,
pioggia, ecc.) e di ostacoli (assorbimento,
diffrazione, ecc.)
se
gT , g R , L  1
PT   


PR  4d 
2
76
Canale wireless : attenuazione da distanza



La
  
PL  

 4d 
2
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.)
77
Path loss (propagation loss) in dB
Indicata anche con Lfree nel seguito
PT

PR
PT
   1
PT GT GR 

 4d  L
2
78
Path loss (propagation loss) in dB
(formula generale)
Indicata anche con Lfree nel seguito
Dipende dalla distanza ma anche dalla frequenza
79
Free space loss (sintesi)
Se L=1, guadagni antenne=1
80
Alcune elaborazioni sulla formula
dell’attenuazione

  
PR  PT gT g R 

 4d 
2
L=1
Se si conosce il valore ad una distanza di riferimento
PR(d) = PR(dref) (dref/d)2
PR(d) dBm= PR(dref)dBm +20 log 10 (dref/d)
   1
PT gT g R 

 d Re f
PR (d )
4d  L



2
PR (d Re f )
   1  d

PT gT g R 
 4d  L
Re f 

2




2
81
Alcune elaborazioni sulla formula
dell’attenuazione

  
PR  PT gT g R 

 4d 
2
L=1
Se si conosce il valore ad una distanza di riferimento
PR(d) = PR(dref) (dref/d)2

PR(d) dBm= PR(dref)dBm +20 log 10 (dref/d)
Loss sperimentata da un segnale tx sulla frequenza f a
distanza d nella condizione di un terreno piatto senza
c/f dB
ostacoli L = -20 log
(
free
10
4d )
Lfree= -147.56+20log10(f)+20log10(d)
82
Canale wireless : attenuazione da distanza

La potenza al ricevitore nel caso di propagazione in
spazio libero può essere espressa come:
  
PR  PT gT g R 

 4d 

2
1
L
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.
83
Canale wireless : attenuazione da distanza

Si può far vedere che nel semplice caso di
propagazione con due raggi, uno diretto ed uno
riflesso completamente...
d
h1
h2
...il rapporto tra potenza ricevuta e potenza trasmessa
assume la forma:
PR
 h1h2 
 g R gT  2 
PT
 d 
2
84
Canale wireless : attenuazione da distanza



Nell’ipotesi della propagazione per due raggi la potenza
ricevuta decresce, a causa dell’attenuazione dovuta alla
distanza, molto più velocemente (~1/d4) che nel caso di
propagazione in spazio libero (~1/d2)
In realtà la propagazione tipica dei sistemi wireless è
spesso diversa e più complessa di questi due casi
Nonostante ciò di solito si utilizza una formula simile
anche nel caso generale dove però l’esponente di della
distanza (coefficiente di propagazione ) può assumere
valori compresi tra 2 (spazio libero) e 5 (forte
attenuazione ambiente urbano):
   1
PR  PT gT g R 
 
 4  d
2
85
Example scenarios:
LOS path non necessarily existing (and unique)
Example: city with large buildings;
No LINE OF SIGHT;
Diffraction; reflection
diffraction
reflection
86
Example scenarios
LINE OF SIGHT +
Diffraction, reflection, scattering
LOS
87
Extended formula
88
Una 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!
89
Okumura-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 BS
Antenna height
90
Okumura-Hata: urban area
L path (dB)  69.55  26.16 log 10 f 
 44.9  6.55 log 10 hbs  log 10 d 
 13.82 log 10 hbs  ahms 
 a(hms) = correction factor to differentiate large from
medium-small cities;
 depends on MS antenna height
large cities : ahms   3.2log 10 11.75hms   4.97
2
f  400MHz
small - med cities : ahms   1.1log 10 f  0.7hms  1.56 log 10 f  0.8
Very small correction difference between large and small cities (about 1 dB)
91
Okumura-Hata: urban area
L path (dB)  69.55  26.16 log 10 f 
 44.9  6.55 log 10 hbs  log 10 d 
 13.82 log 10 hbs  ahms 
 a(hms) = correction factor to differentiate large from
medium-smallLcities;
free= 32.44+20log10(f)+20log10(d)
 depends on MS antenna height
large cities : ahms   3.2log 10 11.75hms   4.97
2
f  400MHz
small - med cities : ahms   1.1log 10 f  0.7hms  1.56 log 10 f  0.8
Very small correction difference between large and small cities (about 1 dB)
92
Okumura-Hata: suburban & rural areas

Start from path loss Lp computed for small and medium cities
2
f 

suburban : L path (dB)  L p  2log 10   5.4
28 

rural :
L path (dB)  L p  4.78log 10 f   18.33 log 10 f  40.94
2
93
Okumura-Hata: examples
150
path loss (dB)
140
130
120
110
large cities
small cities
suburbs
rural area
100
90
80
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
distance (km)
F=900MHz, hbs=80m, hms=3m
94
Slow fading – fast fading
Signal power
 Fast fading
Distance BS  MS (m)
 slow fading
Distance BS  MS (km)
95
Canale 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).
96
Canale 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
 la potenza del segnale differisce

ampiezze
from place to place

frequenza

from time to time!
97
Canale wireless : fading multipath
1,5
s(t)

s(t+T)
1
s(t)+s(t+T)
0,5
0
0
5
10
15
Il segnala
risultante può
essere attenuato
20
-0,5
T=4/5
-1
-1,5
2,5
s(t)
2
s(t+T)
1,5
s(t)+s(t+T)
1

O addirittura
amplificato
0,5
0
-0,5 0
-1
5
10
15
20
T=  /6
-1,5
-2
-2,5
98
Slow fading – fast fading
Signal power
Se c’e’ una componente LOS
 Fast fading: Rayleight
or Rician distributed
Distance BS  MS (m)
 slow fading: lognormal
distributed
Distance BS  MS (km)
99
Rayleight fading
100
Rayleight fading
101
Rayleight fading
102
Considerazioni sul fading
103
Canale 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)
104
Esempio
(prossima slide…)
105
Esempio
Possibilità di interferenza intersimbolica !!
106
Impulse response
107
Canale wireless : fading multipath
La rilevanza del delay spread può essere quantificata
calcolando il suo valore quadratico medio (RMS Delay
Spread):

 RMS 
  P  
n
1
n
 Pi
i 1
2
i i
2
d
i 1

con
n
d 
  P 
i i
i 1

n
P
i 1

i


RMS
i
Pi
n
RMS delay spread
ritardo del path i
potenza ricevuta path i
numero di path
108
Canale 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
109
FINE SECONDA LEZIONE
110
Consumo energetico
111
Protocolli 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.
112
Consumo energetico dell’interfaccia radio

Il transceiver puo’ essere in uno di questi stati
tx
Awake and transmitting
rx
Awake and receiving
idle
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);
113
E(asleep) MOLTO piu’ bassa (e.g. 1/100)
asleep
Protocolli a basso consumo energetico per
l’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
114
Protocolli a basso consumo energetico per
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
–
115
Protocolli a basso consumo energetico per
l’interfaccia radio. Esempi:


minimizzazione del consumo energetico legato
alla trasmissione di informazione
Esempi:
–
–
Power control (non trasmetto alla massima potenza
del dispositivo ma con sufficiente potenza affinche’ il
o i vicini mi ricevano)
Instradamento su piu’ hop ‘corti’ puo’ convenire...
Qualche informazione in piu’ sulle caratteristiche
energetiche dell’interfaccia radio per motivare
queste affermazioni...
116
Energy in Radio: the Deeper Story….
Tx: Sender
Rx: Receiver
Incoming
information
E
Tx
elec
Transmit
electronics


Outgoing
information
Channel
ERF
Power
amplifier
E
Rx
elec
Receive
electronics
Wireless communication subsystem consists of three
components with substantially different characteristics
Their relative importance depends on the transmission range
of the radio
Da Mobicom 2002 tutorial
117
M. Srivastava, D. Estrin
Examples
nJ/bit
nJ/bit
8000
6000
Medusa Sensor
Node (UCLA)
Nokia C021
Wireless LAN
GSM
nJ/bit
300
600
200
400
100
200
0
0
4000
2000
0
Tx
Rx
ERF Eelec
Eelec
~ 1 km


Tx
Rx
ERF Eelec
Eelec
~ 50 m
Tx
Rx
ERF Eelec
Eelec
~ 10 m
The RF energy increases with transmission range
The electronics energy for transmit and receive are
typically comparable
Da Mobicom 2002 tutorial
118
M. Srivastava, D. Estrin
Protocolli a basso consumo energetico per
l’interfaccia radio. Esempi:


minimizzazione del consumo energetico legato
alla trasmissione di informazione
Esempi:
–
–
Power control (non trasmetto alla massima potenza
del dispositivo ma con sufficiente potenza affinche’ il
o i vicini mi ricevano)
Instradamento su piu’ hop ‘corti’ puo’ convenire...
In quali casi convengono queste tecniche??
Conviene istradare su hop corti in reti che usano
tecnologie con elevato raggio trasmissivo? E se le reti
hanno un raggio tramsissivo molto corto?
119
Protocolli a basso consumo energetico per
l’interfaccia radio


Alternanza stati di awake e asleep
Esempio:
 in ricezione: quando sara’ pronto a ricevere il
dispositivo ?
 conoscenza di questa informazione
fondamentale perche’ coppie di dispositivi
possano comunicare efficacemente
 Trade-off: latency/energy. Asleep time lunghi
–
–
Basso consumo energetico
Attesa lunga prima di poter comunicare con il nodo
120
Protocolli a basso consumo energetico per
l’interfaccia radio





MAC:collisioni = sprechi energetici
Data link: FEC/ARQ ?
Routing: istradamento a basso consumo
energetico
......
Necessita’ di tener conto del consumo energetico
in tutti gli strati protocollari
121
Accesso Radio Condiviso
122
Accesso 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)
123
Accesso 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
124
Accesso radio condiviso: Multiplazione

La stazione trasmittente coinvolta è unica
Problema tipico della tratta
downlink (forward link) di sistemi
cellulari (dalla stazione base ai
terminali d’utente)
125
Accesso 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)


Problema tipico della tratta uplink (reverse link) di sistemi
cellulari (dai terminali d’utente alle stazioni base)

Necessita’ di protocolli di MAC (esempio:FDMA/TDMA)
Nota che è necessaria anche una tecnica per la divisione
tra canali uplink e canali downlink (tecnica di
duplexing)
vedi corso di Reti 1
126
Accesso radio condiviso:
Multiplazione/Accesso Multiplo
Nodo 2
Nodo 1
Multiplazione
MPX
Accesso
Multiplo
Nodo 1
AM
DMPX
Nodo 2
Nodo 3
AM
AM
Nodo 4
AM
Canale broadcast
 Ci occuperemo in seguito in dettaglio delle tecniche
di accesso multiplo e multiplazione
127
Accesso 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!
128
Accesso 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 …
129
Teoria del traffico: il traffico istantaneo
 Il “traffico” istantaneo in t è il numero di chiamate
(messaggi, pacchetti, …) a(t) in corso al tempo t
T2
t
a(t)=2
t
a(t)
2
1
t su
vedi parte del corso
valutazione delle
prestazioni
130
Teoria del traffico: Risultati sul traffico
T a(t) dt
A(T) = 1/T
Il traffico medio in T è
a(t)
X1
X2
X3
t
T
Risulta
T a(t) dt = S X
i
i
in T
131
Teoria del traffico: Risultati sul traffico
a(t) dt

A(T) = T
=
T
Traffico medio in T


Si Xi n
n
X
T

 frequenza media dell’arrivo delle chiamate (call/s)
X durata media dei messaggi (s)
A(T) = T X(T)
132
Teoria del traffico: Risultati sul traffico
 Nel caso in cui le trasmissioni non possono
sovrapporsi
X1
X2
t

a(t) dt
A(T) = T
T
=
S i Xi
T
 è la frazione di tempo in cui le trasmissioni sono attive
 In realtà il “traffico” istantaneo a(t) è un processo
casuale
133
Teoria del traffico: Il Traffico

In condizioni di stazionarietà le medie non
dipendono da T
E[A(T)] = A
A=X
 A non

ha dimensione
Il traffico si misura in Erlang
134
Teoria 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
135
Teoria del traffico: Il processo di Poisson

E’ il processo casuale più semplice che descrive
l’occorrenza di punti (es. arrivo di chiamate) casuali
sull’asse temporale

descrizione:
–
0
N(t,t+ numero di punti nell’intervallo [t,t+]
N(0,t)
t
N(t,t+)

136
Teoria del traffico: Il processo di Poisson

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:
( ) 
P[ N (t , t   )  k ] 
e
k!
k
137
Teoria del traffico: Il processo di Poisson

Teorema 2

Gli intervalli T tra punti di Poisson sono variabili
casuali indipendenti con distribuzione esponenziale
negativa
 
pT (t )  te


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
Processo di Poisson ben rappresenta arrivo di chiamate voce
138
Teoria 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
139
serventi
Teoria 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
A
B(n, A)  n n! k
A

k  0 k!


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
140
Teoria del traffico: Sistema a pura perdita

Il traffico perso (rifiutato) dal sistema è dato da:
Ap  A  B(n, A)

mentre quello smaltito da:
As  A  1  B(n, A)   A  Ap

Il coefficiente di utilizzo dei canali è dato da:
As A  1  B(n, A) 


, 0   1
n
n
141
Teoria del traffico: Probabilità di blocco
142
Teoria del traffico: Probabilità di blocco
Al crescere del carico offerto (Erlang) cresce la probabilità
di blocco
143
Teoria del traffico: Probabilità di blocco
Data una probabilità di blocco desiderata , più alto il numero
144
di canali, più elevato il traffico offerto che può essere sostenuto
Teoria del traffico: Probabilità di blocco
Data una probabilità di blocco desiderata e dato un traffico atteso
145
(target di utenti) quale è il numero minimo di canali necessario?
Problematiche 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
I due

Exposed terminal
nodi che
Tx non
si ascoltano
Il nodo
Potrebbe
trasmettere
146
802.11 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
147
fino ad un massimo di 1024 slots)
802.11 Distributed Coordination Function
148
Effetto dell’RTS e CTS
RTS
CTS
149
802.11 Distributed Coordination Function
Virtual carrier sensing
150

FINE TERZA LEZIONE
151
Allocazione delle frequenze:
organizzazione a celle
152
Coverage for a terrestrial zone
Signal OK if Prx > -X dBm
Prx = c Ptx d-4
greater Ptx  greater d
d
BS
1 Base Station
N=12 channels
•(e.g. 1 channel = 1 frequency)
N=12 simultaneous calls
Covering a large geographical area NOT possible
153
Cellular coverage
target: cover the same area with a larger number of BSs
19 Base Station
12 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
154
Cellular coverage (microcells)
many BS
Very low power!!
Unlimited capacity!!
Usage of same spectrum
(12 frequencies)
(4 freq/cell)
Disadvantage:
mobility management
additional infrastructure costs
155
Cellular system architecture
 1 BS per cell
 Cell: Portion of territory
covered by one radio station
 One or more carriers
(frequencies; channels) per
cell
Wired network
MSC 1
MSC 2
f6
f5
f7
f1
 Mobile users fullduplex connected with
BS
f4
f3
f5
f7
f6
f1
f5
f4
 MSC connected to
PSTN
f7
f2
f1
f3
f4
f6
 1 MSC controls many
BSs
f2
f6
f2
f3
f5
f7
f1
f4
f2
f3
BS
MSC
PSTN
= Base Station
= Mobile Switching Centre
= Public Switching Telephone Network
156
Cellular 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
157
hexagonal cells
A
B
A
D
C
D
C
B
A
A
A
C
C
B
A
B
A
D
C
B
A
Hexagon:

Good approximation for
circle
C
D
D
D
B
B
B

D
C

Ideal coverage pattern
–
–
Example case:
Reuse pattern = 4
no “holes”
no cell superposition
158
Cells in real world
Shaped by terrain, shadowing, etc
Cell border:
local threshold, beyond which neighboring BS signal
is received stronger than current one
159
PART 2
Cellular Coverage Concepts
(piu’ in dettaglio sull’organizzazione
di un sistema cellulare)
Lecture 2.2
Clusters and CCI
Reuse patterns

Reuse distance:
 Key concept
 In the real world depends
on
–
–
7
7
–
3,4,7,9,12,13,16,19,…
2
2
1
5
1
5
Territorial patterns (hills, etc)
Transmitted power
Simplified hexagonal cells
model:
 reuse distance depends on
reuse pattern (cluster size)
 Possible clusters:
6
6
3
3
4
4
Cluster: K = 7
– and other propagation
issues such as antenna
directivity, height of
transmission antenna, etc

R
D
D
1
4
1
4
2
3
2
1
4
3
1
4
2
3
2
3
K=4
161
Dim. dei cluster di celle
2
1
1
3
2
2
1
1
3
1
3
D
2
1
1
3
3
2
2
2
1
3
2
K=3
162
Dimensione dei cluster
A
B
A
D
C
D
C
B
A
B
A
B
A
B
C
D
C
D
C
D
B
A
D
C
B
A
B
A
D
C
K=4
163
Dimensione dei cluster
D
K=7
164
Reuse distance
D  R 3K

General formula

Valid for hexagonal geometry

D = reuse distance

R = cell radius

K=cluster size

q = D/R =frequency reuse factor
K
q=D/R
3
3,00
4
3,46
7
4,58
9
5,20
12
6,00
13
6,24
165
Proof
v

D
(3,2)
Distance between two cell centers:

(u1,v1)  (u2,v2)
(u

u
 
2
o
 (v2  v1 )  (u2  u1 ) sin 30o
2  u1 ) cos 30
Simplifies to:
D  (u2  u1 ) 2  (v2  v1 ) 2  (u2  u1 )(v2  v1 )
(1,1)

Distance of cell (i,j) from (0,0):
30°
D  i 2  j 2  ij 3R


DR  i 2  j 2  ij
Cluster: easy to see that
K  DR2  i 2  j 2  ij
hence:
D  R 3K
166

2
Proof
v

D
(3,2)
Distance between two cell centers:

(u1,v1)  (u2,v2)
(u

u
 
2
o
 (v2  v1 )  (u2  u1 ) sin 30o
2  u1 ) cos 30
Simplifies to:
D  (u2  u1 ) 2  (v2  v1 ) 2  (u2  u1 )(v2  v1 )
(1,1)

Distance of cell (i,j) from (0,0):
30°
D  i 2  j 2  ij 3R


DR  i 2  j 2  ij
Cluster: easy to see that
K  DR2  i 2  j 2  ij
hence:
D  R 3K
167

2
Proof
v

D
(3,2)
Distance between two cell centers:

(u1,v1)  (u2,v2)
(u

u
 
2
o
 (v2  v1 )  (u2  u1 ) sin 30o
2  u1 ) cos 30
Simplifies to:
D  (u2  u1 ) 2  (v2  v1 ) 2  (u2  u1 )(v2  v1 )
(1,1)

Distance of cell (i,j) from (0,0):
30°
D  i 2  j 2  ij 3R


DR  i 2  j 2  ij
Cluster: easy to see that
K  DR2  i 2  j 2  ij
hence:
D  R 3K
168

2
Proof
v

D
(3,2)
Distance between two cell centers:

(u1,v1)  (u2,v2)
(u

u
 
2
o
 (v2  v1 )  (u2  u1 ) sin 30o
2  u1 ) cos 30
Simplifies to:
D  (u2  u1 ) 2  (v2  v1 ) 2  (u2  u1 )(v2  v1 )
(1,1)

Distance of cell (i,j) from (0,0):
30°
D  i 2  j 2  ij 3R


DR  i 2  j 2  ij
Cluster: easy to see that
K  DR2  i 2  j 2  ij
hence:
D  R 3K
169

2

Proof
v
D
(u
Distance between two cell
centers:

(u1,v1)  (u2,v2)
 
2
o
o

u
)
cos
30

(
v

v
)

(
u

u
)
sin
30
2
1
2
1
2
1

Simplifies to:
D  (u2  u1 ) 2  (v2  v1 ) 2  (u2  u1 )(v2  v1 )
(3,2)
u

(1,1)
Distance of cell (i,j) from
(0,0):
D  i 2  j 2  ij 3R
30°

Cluster:
easytra
to see
that
Se R è il raggio di un esagono la metà della
distanza
due
celle adiacenti è
DR  i 2  j 2  ij
2
2
2
hence:
K3 2D

i

j
 ij
3
R
R
R      R  R
4
2
2
2
2
Quindi la distanza tra due celle adiacenti è 2D volte
quantità!
 R 3questa
K
170

2

Proof
v
D
(u
Distance between two cell
centers:

(u1,v1)  (u2,v2)
 
2
o
o

u
)
cos
30

(
v

v
)

(
u

u
)
sin
30
2
1
2
1
2
1

Simplifies to:
D  (u2  u1 ) 2  (v2  v1 ) 2  (u2  u1 )(v2  v1 )
(3,2)
u
(1,1)
30°

Distance of cell (i,j) from
(0,0):
D  i 2  j 2  ij 3R
DR  i 2  j 2  ij

Cluster: easy to see that
K  DR2  i 2  j 2  ij

hence:
D  R 3K
171

2
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
D/ 3
K=7
D
172
Proof


L’area occupata da un cluster Acluster e’ quindi
2
data da:
3 D 

 3
2 3
Quanti esagoni di area
3
R 2 3
2
possono stare
2
in un’area pari a 3  D  3 ?
2 3
2
3
D


 Risposta:

 3
2
Acluster 2  3 
D


2
K


  DR 
3
Acella
R 2 3  R 3 
2
2
D2
 D 
K 
  2
 R 3  3R
D  3KR2  R 3K
173
Clusters
K=7(i=2,j=1)
K=4 (i=2,j=0)
174
Possible clusters
all integer i,j values
i
1
1
2
2
2
3
3
3
3
4
4
4
4
4
5
5
j
0
1
0
1
2
0
1
2
3
0
1
2
3
4
0
1
K=ii+jj+ij
1
3
4
7
12
9
13
19
27
16
21
28
37
48
25
31
q=D/R
1,73
3,00
3,46
4,58
6,00
5,20
6,24
7,55
9,00
6,93
7,94
9,17
10,54
12,00
8,66
9,64
Dim.ammissibili dei cluster 1,3,4,7,9,12,13,16,…
175
Co-Channel Interference
A
G
C
E
F
D
A
G
C
B
E
F
B
F
A
A
G
C
B
E

Co-Channel Interference (CCI)

sum of interference from
remote cells
C
E
D
Frequency reuse implies that
remote cells interfere with
tagged one
F
A
C

E
D
G
B
A
F
D
A
S
signal power (S)

N noise power (N S )  interferin g signal power (I)
S
signal power (S)

I
interferin g signal power (I)
S S

as N S small
N I
176
CCI Computation - assumptions

Assumptions

NI=6 interfering cells
–
–

d


NI=6: first ring interferers
only
we neglect second-ring
interferers
Key simplification

Signal for MS at distance
R

Signal from BS
interferers at distance D
Negligible Noise NS
–


S/N ~ S/I
propagation law
=4 (in general)
Same parameters for all BSs
–
Power R
Po
Dint
D
R
Power
Po
Dint ~ D
Same Ptx, antenna gains, etc
177
CCI computation
S S
 
N I
1

NI
cost  R 

cost

D
k 1
R
 
 D
NI


By using the assumptions of
same cost and same D:

1  D
1  Results depend

q
  
on ratio q=D/R
NI  R 
N I (q=frequency reuse factor)
Alternative expression: recalling that D  R 3K



S S
1  R 
1
3K 
2
3K  
 

 
N I N I  R 3K 
NI
6
2
S 3K 
3 2
NI=6,=4 

 K
I
6
2

USAGE: Given an S/I target, cluster size K is obtained
2
178
Examples


target conditions:
 S/I=9 dB
 =4
Solution:
S
 100.9  7.94  8
I

S 3K 

I
6
2
 4
2 S
K

3 I
K  2.3  K  3


target conditions:
 S/I= 18dB
 =4.2
Solution:
S
dB  5 log 3K   10 log 6
I
18  7.78
log 3K  
 1.23
21
101.23
K
 5.63  K  7
3
179
S/I computation
assuming 6 interferers only (first ring)
K
3
4
7
9
12
13
16
19
21
25
q=D/R
3,00
3,46
4,58
5,20
6,00
6,24
6,93
7,55
7,94
8,66
S/I
13,5
24,0
73,5
121,5
216,0
253,5
384,0
541,5
661,5
937,5
S/I dB
11,3
13,8
18,7
20,8
23,3
24,0
25,8
27,3
28,2
29,7
180
Additional interferers
B
C
B
C
B
A
D
A
D
A
D
B
C
B
C
B
C
B
A
D
A
D
A
D
A
D
B
C
B
C
B
C
B
C
B
D
A
D
A
D
A
D
A
B
C
B
C
B
C
B

D
A
D
A
D
A
B
C
case K=4

note that for each
cluster there are
always NI=6 firstring interferers
B
C
B
In CCI computation, contribute of
additional interferers is marginal
181
Multiple Tiers of Interferers
approssimazione
182
Special case of co-channel interference
183
184
sectorization

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 3
f a , 2 L 1  f a ,3 L
Sector 1
f a ,1  f a , L
Sector 2
f a , L 1  f a , 2 L
CELL a
185
CCI reduction via sectorization
three sectors case

Inferference from 2 cells,
only
 Instead of 6 cells
With usual approxs
(specifically, Dint ~ D)

S
R
 
S 
 I  o  2 D   3   I 
 120
  omni
S 
S 
 I  o dB   I  dB  4.77
 120
  omni
G
C
A
F
D
A
G
C
A
E
F
D
A
D
C
B
E
F
A
G
C
B
E
G
Conclusion: 3 sectors = 4.77 dB improvement
G
B
F
A
C
E
B
E
F
D
A
F
186
6 sectors

60o Directional antennas

CCI reduction:
 1 interfereer only
 6 x S/I in the omni case
 Improvement: 7.78 dB
187
6 sectors
Cella di riferimento
Unica BS
che disturba
le ricezioni/
trasmissioni
verso/dalle MU
nella cella di
riferimento
A
G
C
E
F
D
A
B
G
C
B
E
F
A
G
C
F
D
A
G
C
B
E
C
B
F
A
E
E
D
G
A
F
D
A
F
188
Pianificazione di sistemi cellulari
189
Blocking probability: Erlang-B
Fundamental formula for
telephone networks planning

Ao=offered traffic in Erlangs
AoC
 block  C C! j  E1,C  Ao 
Ao

j  0 j!
 Efficient recursive computation
available
E1,C  Ao  
Ao E1,C 1  Ao 
C  Ao E1,C 1  Ao 
100,00%
blocking probability

10,00%
1,00%
C=1,2,3,4,5,6,7
0,10%
0,01%
0
1
2
3
offered load (erlangs)
4
5
190
Capacity 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
Btarget  E1,C  Ao 
C obtained from numerical inversion of
191
Channel usage efficiency
Carried load (erl)
Offered load (erl)
Ao
C channels Ac  Ao 1  B 
Ao B
Blocked traffic
Ac Ao 1  E1,C  Ao 
efficiency :  

C
C
Ao

if small blocking
C
Fundamental property: for same GOS, efficiency increases as C grows!!
192
example
blocking probability
100,0%
A=
A=
A=
A=
10,0%
40 erl
60 erl
80 erl
100 erl
1,0%
0,1%
0
20
40
GOS = 1% maximum blocking.
Resulting system dimensioning
and efficiency:
60
capacity C
40 erl
60 erl
80 erl
100 erl
80
C >= 53
C >= 75
C >= 96
C >= 117
100
 = 74.9%
 = 79.3%
 = 82.6%
 = 84.6%
120
193
Trunking Efficiency
194
Erlang B calculation - tables
ErlangB Online calculator:
http://mmc.et.tudelft.nl/~frits/Erlang.htm
195
Application to cellular networks
Meglio con
area dell’
esagono !
196
Other example
197
Other example
Caso particolare
in cui il fatto
di avere più celle
‘piccole’ non porta
ad un vantaggio
in termini di
riuso delle
frequenze
198
Sectorization and traffic







Assume cluster K=7
Omnidirectional antennas:
120o sectors:
60o sectors:
S/I=18.7 dB
S/I=23.4 dB
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
=77.46%

120o:
60/3=20 channels
=59.54%

60o:
60/6=10 channels
=44.15%
Ao=1x46.95= 46.95 erl
Ao=3x12.03= 36.09erl
Ao=6x4.46= 26.76erl
199
FINE QUARTA LEZIONE
200
Gestione della mobilità
201
Cellular coverage (microcells)
many BS
Very low power!!
Unlimited capacity!!
Usage of same spectrum
(12 frequencies)
(4 freq/cell)
Disadvantage:
mobility management
additional infrastructure costs
202
Gestione 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
203
Gestione della mobilità


Gli utenti di sistemi cellulari MENTRE SI SPOSTANO
possono:
 chiamare
 essere chiamati
 conversare
E’ necessaria una qualche “intelligenza” che supporti tutto
questo (funzionalità di ROAMING).
204
Gestione 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)
205
Gestione 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
206
Gestione 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
Data
Base
LA 2
LA 1
207
Gestione 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
Data
Base
LA 2
LA 1
208
Gestione 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
paging
paging
Data
Base
reply
209
Gestione della mobilità:
Paging vs. Location Update

QUESITO:
 Quanto grandi conviene fare le Location Area?
–
–

piccole
grandi
Cosa spinge in un verso, cosa nell’altro?
Data
Base
LA 2
LA 1
210
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
211
Gestione della mobilità: Handover
Quando scatenare un Handover?

La scelta delle soglie di attivazione della
procedura di handover è fattore critico
Handover TH
h
Receiver TH
t


t
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
212
Gestione della mobilità: Handover
Quando scatenare un Handover?

Esistono diversi metodi
1 - metodo del segnale più forte
–
l’handover avviene nel punto A
 a causa delle
fluttuazioni del
segnale sono
possibili molti
rimbalzi (effetto
ping-pong)
213
Gestione della mobilità: Handover
Quando scatenare un Handover?

Esistono diversi metodi
2 - 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
214
Gestione della mobilità: Handover
Quando scatenare un Handover?

Esistono diversi metodi
3 - 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
215
Gestione 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
216
Gestione della mobilità: Prestazioni Handover
Tecnica 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?)
217
Gestione della mobilità

Altre possibilità
 Queuing priority scheme
–

Handoff area: area all’interno della quale l’MS puo’ ascoltare
entrambe le stazioni base. Se non sono disponibili canali nella
nuova BS si continua ad essere interconnessi alla vecchia BS; la
richiesta di handover viene bufferizzata alla nuova BS e servita
non appena si libera un canale.
Subrating scheme
–
Se non ci sono canali disponibili presso la nuova Base Station un
canale precedentemente allocato per una chiamata viene ‘diviso
in due canali a meta’ data rate’, permettendo ad entrambe le
chiamate di andare avanti.
218
Roaming.
1.
2.
3.
4.
All’arrivo a LA l’utente deve registrarsi con il nuovo VLR
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
Il nuovo VLR informa l’utente della registrazione con successo
L’HLR invia un messaggio di deregistrazione verso il vecchio VLR
HLR: Home location
register
VLR
MSC
2
HLR
VLR: Visiting location
register
PSTN 4
VLR
MSC
1
LA
3
NY
219
Set up di chiamate. Esempi
1.
1.
2.
3.
MStelefono fisso tramite l’VLR dell’MS
Telefono fissoMS:tramite il gateway MSC si contatta l’HLR e
tramite questo il VLR corrente.
IL VLR restituisce l’info sull’MSC da contattare
La chiamata viene messa su
1
1
VLR
2
MSC
1 GMSC
HLR
2 PSTN
3
2
VLR
MSC
LA
3
NY
220
Gestione della mobilità: Tipologie di Handover

Hard Handover (GSM-2G)
Presuppone l’abbattimento e
l’instaurazione di un nuovo
link radio

Soft Handover (UMTS-3G)
Sfruttando la macrodiversità
l’utente è
contemporaneamente
collegato con più stazioni
base
221
Gestione della mobilità: Handover

Ci occuperemo in seguito dell’handover in GMS
LETTURA CONSIGLIATA:
Trends in handover design
Pollini, G.P.
IEEE Communications Magazine , Volume: 34 Issue: 3 , March 1996
Page(s): 82 -90
222
Codifica della voce
223
Codifica della voce: Caratteristiche
tempo/frequenza (suono vocalizzato)
suono vocalizzato: vocale e
224
Codifica della voce:
Caratteristiche tempo/frequenza
suono non vocalizzato: consonante f
225
Codifica della voce:
Caratteristiche tempo/frequenza
Parola: effe
226
Codifica della voce: Codificatori vocali
Trasformano la voce in un flusso di bit
Digitalizzazione di un
Segnale analogico 
Realizzano una descrizione
esplicita
della forma d’onda in
ingresso (es. PCM)

Waveform codecs

Source codecs
(vocoders)

Hybrid codecs
227
Codifica 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
campionatore
A to D
b bits
per campione
00100001
alta qualita’, bassa complessita’, basso ritardo (1 campione),
robustezza agli errori e al rumore di fondo
228
Codifica 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
campionatore
A to D
b bits
per campione
00100001
alta qualita’, bassa complessita’, basso ritardo (1 campione),
robustezza agli errori e al rumore di fondo
229
Codifica della voce:
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 (m-law) e
 Europa (A-law)
 regole di conversione standard
230
Effetto di diversi tipi di quantizzazione
Asse delle ampiezze suddiviso in
intervalli uguali
compressione
231
Fasi della codifica/decodifica
CODIFICA
Filtraggio
Campionamento
Codifica
Si campiona a
8000 volte al
secondo
Compressione
12 bit per
campione
8 bit per
campione
DECODIFICA
Ricostruzione
Segnale
analogico
Decodifica
Segnale campionato
e quantizzato
Espansione
12 bit a campione
232
Codifica 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
campionatore
A to D
b bits
per campione
00100001
alta qualita’, bassa complessita’, basso ritardo (1 campione),
robustezza agli errori e al rumore di fondo
233
Codifica 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
campionatore
A to D
b bits
per campione
00100001
alta qualita’, bassa complessita’, basso ritardo (1 campione),
robustezza agli errori e al rumore di fondo
234
Codifica della voce:
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.
235
Codifica della voce:
Adaptive DPCM (ADPCM)

le prestazioni migliorano se predittore e quantizzatore sonoCordless
DECT
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
Predittore
adattativo
Bassa qualità
quant.
+
camp.
adattativo
+
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)
236
Codifica della voce:
Source codecs (vocoders)


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)
Filtro di analisi
Esempio: predittore
lineare
Filtro di sintesi
sequenza di
eccitazione



Pesatura e
minimizzazione
dell’errore
elevata complessità
ritardi mediamente elevati
237
sensibili a errori, rumore di fondo e suoni non umani
Codifica della voce:
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
238
Codifica della voce: Principali Codifiche
Compressione
Look
ahead
(ms)
G.711 PCM
1972
64
0.125
0
G.726 ADPCM
1990
32
1
0
G.722 Subband ADPCM
1988
48-64
0.125
1.5
1992-94
16
0.625
0
G.729 CS-ACELP
1995
8
10
5
G.723.1 MP-MLQ
1995
6.3
30
7.5
G.723.1 ACELP
1996
5.3
30
5
RPE-LTP (GSM)
1987
13
20
0
G.728 LD-CELP
ibrido
Year
Bit rate Frame
size
(kbit/s) (ms)
239
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”
Cenni storici:
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, Oriente
TACS:


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
240
Cenni storici:
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 Uplink: trasmissione da terminale
mobileOriente
a base station
 diffusione: Americhe,
Downlink:
trasmissione daSystem
base
TACS: Total Access
Communications
station
terminale
mobile
 standard sviluppato
nel aRegno
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:
Verso 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
242
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
243
1992 primi sistemi GSM (94 primi servizi dati)
Cenni storici:
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)
244
Cenni storici:
Digital Cellular Systems World-wide
GSM
D-AMPS
Japan Digital
PCS 1900
DCS 1800
CDMA
245
Dati da www.gsmworld.com
Alcune definizioni...
Control/data channel
 Simplex Systems/Duplex Systems (half and full duplex)
 Handoff
246
Fine quinta lezione
247