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