t - Studium

Frequenza e lunghezza d'onda• E' la distanza nello spaziotra due picchi di un'onda• I segnali si propaganoalla velocità della luce, c• Pertanto lunghezzad'onda e frequenza sonolegate da =c / fATTS - 2010/2011Catania

Signal to interference plus noiseratio (SINR)• E' il rapporto tra la potenzamedia del segnale desiderato equella dei segnali di disturbo• Più è alto il SINR, meglio è...• Può essere misuratalinearmente o in decibel (dB)• Amplificatori in ricezione nonhanno impatto sul SINRSINR= A2 P xP nP iSINR dB=10 log 10 A2 P xP n P iATTS - 2010/2011Catania

Mezzi trasmissivi• I mezzi trasmissivi possono essere classificati in baseal fenomeno fisico utilizzato per trasportare il segnale– Mezzi elettrici: sfruttano la proprietà dei metalli dicondurre l'energia elettrica. Per trasmettere il segnale sigenera una tensione o corrente variabile– Mezzi a onde radio (o “wireless): il fenomeno fisicoutilizzato è l'onda elettromagnetica, che ha la proprietà dipropagarsi nello spazio e di riprodurre a distanza unacorrente elettrica in un dispositivo ricevente (antenna)– Mezzi ottici: il fenomeno fisico utilizzato è la luceATTS - 2010/2011Catania

Peculiarità del mezzo wireless in• Il mezzo wireless è broadcast:– Vantaggi: naturaleimplementazione di servizimulticast/broadcast, possibilità difare network coding– Svantaggi: Privacy/sicurezza,interferenze, necessità dicoordinamento per l'accesso almezzo, scarsità della banda• Il mezzo wireless è wire less:– Vantaggi: bassi costi, facilità dideployment, supporto dellamobilità dei nodipoche parole– Svantaggi: Necessità disupportare la mobilità dei nodi,necessità di gestire casi in cuinodi che vogliono comunicarenon sono nel raggio di copertural'uno dell'altro... e tutto consumando poca energia!!!• Il mezzo wireless ha attenuazione erumorosità elevate e altamentevariabili:– Vantaggi: NESSUNO!– Svantaggi: Necessità disoluzione che siano al tempostesso efficaci ed efficientiATTS - 2010/2011Catania

Network coding• Nodi intermedi possono processarel'informazione in transitoA01001011 10100111BC01001011 01001011 1010011111101100 10100111 XOR 1110110010100111 11101100 01001011ATTS - 2010/2011Catania

ATTS - 2010/2011Propagazione delle ondeelettromagnetiche• La propagazione delle onde radio può esserericondotta ai seguenti tipi fondamentali:– Propagazione per onda superficiale terrestre perfrequenze comprese tra 10 kHz e 10 MHz;– Propagazione per onda ionosferica per frequenzecomprese tra 1 MHz e 50 MHz;– Propagazione troposferica per frequenze superioria 30 MHZ e minori di 30 GHz;– Propagazione per visibilità diretta tra le dueantenne, per frequenze superiori ai 100 MHz.Catania

Propagazione per onda superficialeterrestre: Penetrazione nel suoloFrequenza(kHz)Penetrazione (m)1010030001000030000Mare(σ = 4 S/m,ε r=80)2,50,800,140,080,04Terreno(σ = 1 / 1 0 0 S/m, ε r=10)5015521Terreno secco(σ = 1 / 1 0 00 S/m,ε r=5)Underground & underwater sensor networks150501793ATTS - 2010/2011Catania

Propagazione per ondaionosferica• La Ionosfera (da 40 a 500 km di quota) è compostada strati ionizzati• L'indice di rifrazione del mezzo varia con la quota• L'onda elettromagnetica (tra 1 e 50 MHz) vienedeviata e infine riflessastrato ionizzatoα maxATTS - 2010/2011Zona di silenzioCatania

Propagazione per ondatroposferica• La Troposfera (al di sotto dei 15 km diquota) ha un indice di rifrazione chedevia la propagazione dell'onda versoterra• Tale deviazione estende il raggio dicopertura (tenendo anche conto dellacurvatura della superficie terrestre)• Le frequenze usate vanno da 30 MHzfino a circa 30 GHz• È affetta sensibilmente dai fenomeni dirifrazione, riflessione e diffrazione• Questi fenomeni permettono di aggirareeventuali ostacoli tra le antenneATTS - 2010/2011Antenna 1 Antenna 2TerraCatania

Propagazione per visibilitàdiretta• Per frequenze superiori a100 MHz, l'ondaelettromagnetica non vienedeviata• Ci deve essere visibilitàdiretta: un ostacolo tra ledue antenne impedisce lacomunicazioneATTS - 2010/2011Catania

Frequenze/lunghezze d'onda eservizi wirelessATTS - 2010/2011Catania

ATTS - 2010/2011Utilizzo delle diverse bande difrequenza• VLF (Very Low Frequencies: 10-30 kHz): usate per sistemi dicomunicazione e di navigazione a grande distanza (alcune migliaia di km.);antenne poco economiche e poco efficienti. Basse bit rate• LF (Low Frequencies: 30-300 kHz): La distanza utile non supera un migliaiodi km.• MF (Medium Frequencies: 300-3000 kHz): radiodiffusione ad onda media(525-1605 kHz); per propagazione superficiale terrestre con potenze delledecine di KW si ottengono aree di copertura fino a 200 km dal trasmettitore;oltre tali distanze si arriva tramite propagazione ionosferica notturna.• HF ( High Frequencies: 3-30 MHz): la comunicazione avvieneessenzialmente per propagazione ionosferica con trasmissioni a grandi distanze(parecchie migliaia di km) a causa di riflessioni multiple terra-ionosfera.Inconvenienti: sensibili fluttuazioni (fading) del segnale ricevuto e ampie zonedi silenzio.Catania

Utilizzo delle diverse bande difrequenza• VHF (Very High Frequencies: 30-300 MHz): riflessione ionosfericatrascurabile; copertura poco maggiore dell’area di visibilità ottica.Radiodiffusione televisiva.• UHF (Ultra High Frequencies: 300 MHz-3 GHz): Propagazione troposfericaper sistemi a visibilità ottica a breve distanza. Radiodiffusione televisiva,ponti radio, sistemi radiomobili• SHF (Super High Frequencies: 3-30 GHz): Ponti radio e satelliti;propagazione troposferica a visibilità diretta (qualche decina di km.). Oltre 10GHz elevata attenuazione per pioggie e nebbie.ATTS - 2010/2011Catania

Bande ISM (Industrial,Scientific and Medical)• Porzioni di spettro riservate dall'ITU adapplicazioni radio non commerciali• Ci sono differenze tra le diverseRegioni internazionali• Le tecnologie che utilizzano questebande devono essere tolleranti alleinterferenze• Limitazioni normative relativamentealla massima potenza di trasmissione• Normativa:– In Italia il Decreto Landolfi– Negli Stati Uniti Parte 18 e Parte 15(sottoparte B) delle regole dell'FCCATTS - 2010/2011• 6.765–6.795 MHz• 13.553–13.567 MHz• 26.957–27.283 MHz• 40.66–40.70 MHz• 433.05–434.79 MHz in Regione 1• 902–928 MHz in Regione 2• 2.400–2.500 GHz• 5.725–5.875 GHz• 24–24.25 GHz• 61–61.5 GHz• 122–123 GHz• 244–246 GHzCatania

Bande ISM (Industrial,Scientific and Medical)• Porzioni di spettro riservate dall'ITU adapplicazioni radio non commerciali• Ci sono differenze tra le diverseRegioni internazionali• Le tecnologie che utilizzano questebande devono essere tolleranti alleinterferenze• Limitazioni normative relativamentealla massima potenza di trasmissione• Normativa:– In Italia il Decreto Landolfi– Negli Stati Uniti Parte 18 e Parte 15(sottoparte B) delle regole dell'FCCATTS - 2010/2011• 6.765–6.795 MHz• 13.553–13.567 MHz• 26.957–27.283 MHz• 40.66–40.70 MHz• 433.05–434.79 MHz in Regione 1• 902–928 MHz in Regione 2• 2.400–2.500 GHz• 5.725–5.875 GHz• 24–24.25 GHz• 61–61.5 GHz• 122–123 GHz• 244–246 GHzBluetoothCatania

Bande ISM (Industrial,Scientific and Medical)• Porzioni di spettro riservate dall'ITU adapplicazioni radio non commerciali• Ci sono differenze tra le diverseRegioni internazionali• Le tecnologie che utilizzano questebande devono essere tolleranti alleinterferenze• Limitazioni normative relativamentealla massima potenza di trasmissione• Normativa:– In Italia il Decreto Landolfi– Negli Stati Uniti Parte 18 e Parte 15(sottoparte B) delle regole dell'FCCATTS - 2010/2011• 6.765–6.795 MHz• 13.553–13.567 MHz• 26.957–27.283 MHz• 40.66–40.70 MHz• 433.05–434.79 MHz in Regione 1• 902–928 MHz in Regione 2• 2.400–2.500 GHz• 5.725–5.875 GHz• 24–24.25 GHz• 61–61.5 GHz• 122–123 GHz• 244–246 GHzWiFiCatania

Bande ISM (Industrial,Scientific and Medical)• Porzioni di spettro riservate dall'ITU adapplicazioni radio non commerciali• Ci sono differenze tra le diverseRegioni internazionali• Le tecnologie che utilizzano questebande devono essere tolleranti alleinterferenze• Limitazioni normative relativamentealla massima potenza di trasmissione• Normativa:– In Italia il Decreto Landolfi– Negli Stati Uniti Parte 18 e Parte 15(sottoparte B) delle regole dell'FCCATTS - 2010/2011• 6.765–6.795 MHz• 13.553–13.567 MHz• 26.957–27.283 MHz• 40.66–40.70 MHz• 433.05–434.79 MHz in Regione 1• 902–928 MHz in Regione 2• 2.400–2.500 GHz• 5.725–5.875 GHz• 24–24.25 GHz• 61–61.5 GHz• 122–123 GHz• 244–246 GHzHiperlanCatania

Bande ISM (Industrial,Scientific and Medical)• Porzioni di spettro riservate dall'ITU adapplicazioni radio non commerciali• Ci sono differenze tra le diverseRegioni internazionali• Le tecnologie che utilizzano questebande devono essere tolleranti alleinterferenze• Limitazioni normative relativamentealla massima potenza di trasmissione• Normativa:– In Italia il Decreto Gasparri– Negli Stati Uniti Parte 18 e Parte 15(sottoparte B) delle regole dell'FCCATTS - 2010/2011• 6.765–6.795 MHz• 13.553–13.567 MHz• 26.957–27.283 MHz• 40.66–40.70 MHz RFID• 433.05–434.79 MHz in Regione 1• 902–928 MHz in Regione 2• 2.400–2.500 GHz• 5.725–5.875 GHz• 24–24.25 GHz• 61–61.5 GHz• 122–123 GHz• 244–246 GHzCatania

Regioni internazionali• Regione 1: Europa, Groenlandia, Africa, Medio Orienteoccidentale (incluso Iraq), paesi dell'ex UnioneSovietica, Mongolia• Regione 2: Americhe (esclusa Groenlandia) e alcunedelle isole del Pacifico• Regione 3: gran parte dell'Asia (quella esclusa dallaregione 1) e Oceania• ITU: International Telecommunication Union• FCC: Federal Communication CommissionATTS - 2010/2011Catania

ATTS - 2010/2011Linee guida alla base dellascelta della banda• Alte frequenze– Maggiore disponibilità di banda– Spettro meno affollato di sistemi– Scarsa capacità di attraversamento di ostacoli– Raggi di copertura più limitati• Basse frequenze:– Poca disponibilità di banda– Antenne grandi– Molte sorgenti di interferenzaCatania

Antenne• Sono conduttori o sistemi di conduttori ingrado di:– Irradiare energia elettromagnetica nello spazio(in trasmissione)– Catturare energia elettromagnetica dallo spazio(in ricezione)• Tipicamente la stessa antenna può essereusata sia per la trasmissione che la ricezioneATTS - 2010/2011Catania

ATTS - 2010/2011Modello di propagazione nello• Si consideri una sorgente isotropica(o omnidirezionale) che irradi unapotenzaP T• La potenza irradiata passauniformemente attraverso una sfera4 ddi area2ove d rappresenta ladistanza dalla sorgentespazio libero• Ne segue che la densità superficialedi potenza è• L'antenna ricevente riesce a captared =P la potenza che fluisce attraverso unaT4 d 2 determinata superficie• Ne segue che nello spazio libero lapotenza ricevuta decresce come ilquadrato della distanzadCatania

Antenne direttive• E' possibile progettare antenne che irradiano la potenzasoprattutto lungo alcune direzioni• Questa caratteristica è espressa mediante il guadagnod'antenna g lungo la direzione g = P 4 P = P T g 4 d 2P T– P T è la potenza è la potenza totale trasmessa, e P èla densità di potenza ad un metro di distanzadall'antenna trasmittente lungo la direzione • Tipicamente si assume che il guadagno di antennamassimo si abbia per =0ATTS - 2010/2011Catania

Diagramma di radiazione diun'antennag Per ogni valore dirappresentiamo(tipicamente in dB) ilguadagno d'antennaATTS - 2010/2011Catania

Esempio: Antenna a dipolo ewhip antenna (mezzo dipolo)• Molto comuni ed economiche• Dimensioni sono una frazione dellalunghezza d'onda (metà o un quarto)• Omnidirezionali sul pianoperpendicolare all'antenna• In tre dimensioni il diagramma diradiazione è un toroideATTS - 2010/2011Catania

Esempio: antenna a pannelloATTS - 2010/2011Catania

Esempio: microstrip antennaATTS - 2010/2011Catania

EIRP – Effective IsotropicallyRadiated Power• Per aumentare la densità di potenza alricevitore si può aumentare P T oP T– Se aumento aumentano i consumi e quindidiminuisce la durata delle batterieg – Posso aumentare• Tuttavia in bande ISM la normativa limita ilmassimo valore dell'EIRP definitoEIRP=P T g Tg oveATTS - 2010/2011g T =max g Catania

Normativa italiana – DecretoGasparri del 28/05/03• Si applica a reti wireless in bande ISM(2.4 e 5 GHz)• Limiti di potenza stabiliti dalla DecisioneEuropea (DE):– A 2.4 GHzATTS - 2010/2011• In Europa: EIRP < 100 mW– A 5 GHz sono definite tre sottobande:• Low: 5.15-5.25 GHz (EIRP < 50mW)• Middle: 5.25-5.35 GHz (EIRP

Antenne in ricezione• Per un’antenna in ricezione si definisce apertura (o area)efficace A l’area attraverso la quale il fronte d’ondaincidente fa Rpassare una potenza pari a quella raccoltadall’antenna.• La potenza ricevuta P è quindi il prodotto dell’areaefficace per la densità Rmedia di potenza nel punto in cui èposta l’antenna:A R=g 2 /4• Per le antenne vale il principio di reciprocità:P R = p A R [W ]• Per un’antenna isotropica ( g =1 ) l’apertura efficace èdata da:A R= 2 /4 ATTS - 2010/2011Catania

Potenza ricevuta• Mettendo insieme le cose si vede che la potenza delsegnale ricevuto è:P R =P T g T g R2=EIRPg R24 d 4 dove g Te g Rsono i guadagni delle antenne in trasmissionee ricezione• Un modo di aumentare la potenza del segnale ricevutosenza violare i vincoli sull'EIRP è aumentare g R• Tuttavia, se aumenta g R aumenta anche la potenza deisegnali indesiderati ricevutaATTS - 2010/2011Catania

RiassumendoP R =P T g T g R2=EIRPg R2=EIRPg R• In realtà:4 d 4 d(‏dB‏)‏ A lib• Modello – in Fattori spazio di libero assorbimento odi Friis– Riflessioni• Assume – che Ombreggiamento non ci siano: (Shadowing)– Assorbimenti – Diffrazione– Ostacoli – Scattering– Riflessionic4 f d2ATTS - 2010/2011Distanza in chilometriCatania

Assorbimento• Alle frequenze superiori ai 10 GHzl'attenuazione dovuta all'assorbimentoatmosferico diventa importante• I due gas che maggiormentecontribuiscono sono il vapore d'acquae l'ossigeno• I picchi di assorbimento dovuti alvapore d'acqua si hanno a 22.3 e 18GHz• I picchi di assorbimento dovutiall'ossigeno si hanno a 60 e 120 GHzATTS - 2010/2011Catania

ATTS - 2010/2011Riflessioni e propagazione• A causa della riflessione ilricevitore riceve due copie delsegnale trasmesso• Le due copie sono sfasate acausa della differenza didistanza percorsa• Le due copie del segnale sisommano o si sottraggono aseconda della differenza di fasedelle diverse copie• Il segnale interferisce con sestessomultipathTxP R∝ d −4Superficie riflettentes 1 t=s TX t−d 1 /cs 2 t=s TX t−d 2 /cRxs RX t=s 1 t s 2 ts TX t−d 2 /cs TX t−d 1 /cCatania

Come aggirare il problema• Diversità di frequenza (es., OrthogonalFrequency Division Multiplexing)• Diversità di spazio (più antenne di ricezionee trasmissione)• Cooperative communications:– In trasmissione: nodi vicini partecipano allatrasmissione (si ottiene la diversità di spazio intrasmissione)– In ricezione: i nodi partecipano al processamentoATTS - 2010/2011del segnale diretto a nodi viciniCatania

Fading• I due precedenti fenomeni prendono cumulativamente il nome difading:– Multipath fading– Power fading• Entrambi variano nel tempo (il multipath esibisce maggioredinamicità)ATTS - 2010/2011Catania

Ombreggiamento (Shadowing)ATTS - 2010/2011• In ambienti indoor e urbani le ondee.m. incontrano numerosi ostacolinel loro cammino verso ladestinazione• Essi sono causa si ulterioreattenuazione del segnale• Tale attenuazione dipende dallaconformazione e dal materialecostituente l'ostacolo• In generale, maggiore è laconduttività del materiale costituentemaggiore è l'attenuazioneCatania

Diffrazione e scattering• Diffrazione:– Il bordo netto di un ostacolosu cui incide una onda e.m. sicomporta come un emettitorelineare• Scattering:– Quando un'onda e.m.incontra un oggetto piccolorispetto alla lunghezzad'onda, l'oggetto si comportacome un emettitorepuntiformeATTS - 2010/2011Catania

Modello di attenuazione• E' evidente che il fenomeno di propagazione nelmezzo wireless è estremamente complesso• Di solito si utilizza una formula simile a quellavalida per lo spazio libero dove l'esponente delladistanza (coefficiente di progagazione ) puòassumere valori compresi tra 2 (spazio libero) e 5(forte attenuazione in ambiente urbano)P R =P T g T g R 4 2 1d ATTS - 2010/2011Catania

Modelli empirici• Scenari di riferimento considerati– Area urbana (grandi-medie-piccole città), aree rurali– Modelli generati combinando modelli elementari di base (LOS,raggio riflesso, etc.)– Basati su grandi quantità di dati e misure empiriche• Parametri considerati– Frequenza posizione delle antenne, distanza, etc.• Fattori di correzione– Montagne, specchi d'acqua, strade, etc.• Primo modello:– Hata (1968) molto complesso con molti parametri e fattori dicorrezioneATTS - 2010/2011Catania

Modello di Okumuru-Hata• E' il più noto• Fornisce formule per l'attenuazione in diversiscenari di riferimento– Grandi città, città medio-piccole, aree rurali– Distanze > 1kmATTS - 2010/2011Catania

Modello di Okumuru-Hata• La potenza ricevuta èeP R =P T g T g R L PL P =69.5526.16log f−13.82log h T −ah R 44.9−6.55 logh Tlog da h R=3.2[log 1011.75h R] 2 −4.97ATTS - 2010/2011Grandi città– f è la frequenza in MHz– h Tè l'altezza del nodotrasmittente– h R è l'altezza del nodoricevente– d è la distanza traricevente e trasmittenteCittà medio piccolea h R =[1.1 log 10 f −0.7]h R−[1.56 log 10 f −0.8]Catania

Modello di Okumura-Hata:Aree suburbane e rurali• Il calcolo dell'attenuazione viene calcolato apartire dal valore L P definito per città mediopiccole.• Per aree suburbane:L path =L P −2 [log 10• Per aree rurali:f28]2−5.4L path=L P−4.78[log 10f ] 2 18.33log 10f −40.94ATTS - 2010/2011Catania

Esempio numericoATTS - 2010/2011Catania

ITU indoor path loss modelL=20 log f N logd P f n−28• f la frequenza espressa inMHz• d la distanza in metri• N il coefficiente di perdita dipotenza (analogo delcoefficiente di propagazione)• n numero di piani tratrasmettitore e ricevitoreP f n• il fattore di perdita perla penetrazione di un pianoATTS - 2010/2011P f n• Sia N che sono valorisperimentali• Esistono delle tabelle con deivalori di riferimento• Vengono considerati diversiscenari e frequenze di lavoroCatania

Altri modelli empirici• Modello di Lee– Banda intorno ai 900 MHz– Distanze > 1 km– Più complesso del modello di Okumuro-Hata• Modello di Walfish-Ikegami– Frequenze 800-2000 MHz– Valido anche per piccole distanze (20m-5km)– Modello di riferimento per sistemi 3G• Modelli indoor– Numerosi modelli– Includono attenuazioni aggiuntive per la penetrazione dei muriATTS - 2010/2011– Basati su zone (grandi spazi, spazi medi, spazi piccoli)Catania

Alcuni esempi• Egli model: per propagazione in visibilità diretta• Log distance path loss model: all'interno di edifici e zonedensamente popolate• Longley-Rice model: per terreni irregolari (20MHz – 20GHz)• Young model: basato su una gran quantità di datiraccolti a New York• Weissberger model: tiene conto della presenza divegetazioneATTS - 2010/2011Catania

Il canale wireless nei simulatori• Modelli di canale wireless sono presenti intutti i simulatori per telecomunicazionimaggiormente diffusi:– Ns2– OPNET– OMNET– TOSSIMATTS - 2010/2011Catania

ns-2 (Network Simulator 2)• Simulatore a eventi gratuito eopen-source• Ampiamente diffuso presso lacomunità accademica• Le simulazioni vengono scrittein TCL (Tool CommandLanguage)• Nuovi moduli possono essereintrodotti con un linguaggio adoggetti detto NESC (simile alC++)ATTS - 2010/2011• Inizialmente pensato persimulazioni di reti cablate• Il modulo wireless è statoaggiunto successivamente• Il modello di canale wireless èmolto semplice• Utilizza un modello in cui l'utentedeve fissare– Il coefficiente di propagazione– La varianza del valore diattenuazione introdotto dalloshadowingCatania

OPNET• Ambiente di simulazione per reti esistemi di tlc• Leader mondiale presso lacomunità industriale• Molto costoso (pacchetto base:40000 euro circa)• Gli scenari di simulazione possonoessere introdotti attraverso una GUI• Nuovi moduli possono essererealizzati utilizzando un linguaggioa oggetti C++ like• Problemi di scalabilitàATTS - 2010/2011• Il modulo wireless è unmodulo aggiuntivo (circa20000 euro circa)• Implementa:– Modello di propagazione inspazio libero– Longley-Rice model(integrazione conrappresentazione standarddei terreni)– Okumura-Hata model– Wakfish-Ikegama modelCatania

OMNET• Tentativo della comunità opensource di imitare l'ambienteOPNET• Simulatore ad eventi opensource e gratuito• Ottimo motore di simulazione• Non esiste un modulo ufficialedi simulazione wireless• Esiste un modulo per lasimulazione di reti di sensori• Scarso supporto e interessealtalenanteATTS - 2010/2011Catania

TOSSIM• Ambiente di simulazione di retedi sensori basati su tecnologiaCrossbow• Il comportamento dei dispositiviviene simulato in maniera esatta• Simulazioni poco scalabili• Il TOSSIM (insieme al TinyOS)è uno dei motivi principali delsuccesso della Crossbow• Un ambiente di simulazionedell'applicazione è un fattorechiave di successo!• Modello del canale wireless pocoaccurato. I pacchetti:– arrivano ai nodi nel raggio dicopertura– NON arrivano a quelli fuoriATTS - 2010/2011Catania