Reti Wireless - Appunti, Appunti di Reti Telematiche

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Reti Wireless - Appunti

Filippo Ottaviani

Feb-May 2023

Contents

• 1 Introduzione alle Reti Cellulari
  • 1.1 Reti cablate e wireless
  • 1.2 Antenne
  • 1.3 Propagazione
  • 1.4 Copertura
  • 1.5 Accesso radio
  • 1.6 Protocolli a canalizzazione
  • 1.7 Protocolli ad accesso casuale
    • 1.7.1 Aloha
    • 1.7.2 Slotted Aloha
    • 1.7.3 Carrier Sense Multiple Access
    • 1.7.4 Slotted CSMA
    • 1.7.5 Confronto
• 2 Dimensionamento celle
  • 2.1 Definizione
  • 2.2 Probabilità di errore
• 3 Mobilità cellulare
  • 3.1 Definizione
  • 3.2 Handover
  • 3.3 Paging
• 4 Long Term Evolution (LTE)
  • 4.1 Definizione
  • 4.2 Architettura della rete LTE
  • 4.3 Tecnologie di accesso radio
  • 4.4 Organizzazione dei dati in LTE
  • 4.5 Architettura RAN
  • 4.6 Qualità del servzio
  • 4.7 Sincronizzazione
  • 4.8 Canali
  • 4.9 Identificatori LTE e gerarchia delle chiavi
  • 4.10 Accesso al canale
  • 4.11 Gestione delle risorse durante la tramsissione
  • 4.12 Stati dell’utente
  • 4.13 Gestione della mobilità
• 5 Reti cellulari di quinta generazione (5G)
  • 5.1 Definizione
  • 5.2 Profili di servizio 5G
  • 5.3 Novità introdotte
  • 5.4 Separazione dei piani
  • 5.5 Architettura basata su servizio
  • 5.6 Architettura protocollare
• 6 Reti Wireless Fidelity (Wi-Fi)
  • 6.1 Definizione e storia
  • 6.2 Architettura protocollare
  • 6.3 Formato della trama in 802.11
  • 6.4 Substrato MAC
    • 6.4.1 Trama MAC in 802.11
    • 6.4.2 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
    • 6.4.3 Problema dell’ack nascosto
    • 6.4.4 Problema del nodo nascosto
    • 6.4.5 Problema campo durata non leggibile
    • 6.4.6 Prestazioni
  • 6.5 Anomalia prestazionale
  • 6.6 Sistemi distribuiti
  • 6.7 Operazioni multi-rate
  • 6.8 Livello di management MAC
  • 6.9 Mobilità in Wi-Fi
  • 6.10 Schema di protezione
  • 6.11 Quality of Service
  • 6.12 Miglioramenti apportati da 802.11n
  • 6.13 Sicurezza in Wi-Fi
    • 6.13.1 Wired Equivalent Privacy (WEP)
    • 6.13.2 Wi-Fi Protected Access (WPA)
• 7 Protocolli per Internet-of-Things
  • 7.1 Definizione
  • 7.2 Architettura
  • 7.3 Protocollo HTTP per IoT
    • 7.3.1 Messaggi HTTP
    • 7.3.2 Metodi HTTP
    • 7.3.3 Servizi web per IoT
  • 7.4 Protocollo MQTT per IoT
    • 7.4.1 Modello publish/subscribe
  • 7.5 MQTT asincrono
    • 7.5.1 QoS in MQTT
  • 7.6 Differenze tra HTTP e MQTT

1 Introduzione alle Reti Cellulari

1.1 Reti cablate e wireless

Le differenze più rilevanti tra le due principali famiglie di reti:

• Reti cablate: Banda più larga, mobilità più rigida, maggiore affidabilità. Tecnologia basata su un approccio point-to-point, solitamente è disponi- bile la stessa capacità in uplink e downlink, lo stesso canale può ospitare due flussi (full-duplex) e le collisioni sono isolate. Intrinsecamente più si- curo. Il controllo di congestione e flusso fornito da TCP è più che sufficiente per la gestione dei pacchetti. Non è richiesta la licenza ma solo il costo del cablaggio, le regolamentazioni sono piuttosto semplici.
• Reti wireless: Banda più stretta, mobilità più agevole, minore affidabilità. Tecnologia basata canali broadcast, di norma ha capacità diverse in uplink e downlink, soffre le collisioni, implementa una procedura di accesso per comunicare a turni e il full-duplex non è permesso. Intrinsecamente è meno sicuro: il controllo di TCP non basta, occorre anche un controllo delle interferenze. La maggior parte delle frequenze sono soggette a licenza (non quelle domestiche). Le regole sono molto più complesse, anche riguardo all’esposizione umana.

Canali wireless: canale ben più complesso rispetto a quello fisico che ospita le reti cablate, soggetto ad attenuazioni, distorsioni ed altri disturbi dovuti alla distanza tra trasmettitore (TX) e ricevitore (RX), agli ostacoli interposti (shad- owing) e alla propagazione multipath (diverse repliche del segnale raggiungono il ricevitore a causa della riflessione). Spettro radio: le bande di frequenza di interesse sono le seguenti:

• Reti cellulari: 900-3000 MHz (VHF-UHF), frequenze ridotte, trasmissioni potenti e penetranti.
• Radio e satelliti: 3-30 GHz (SHF), frequenze elevate, molta banda disponi- bile.
• Reti WLAN: 2-10 GHz (ISM band) subiscono interferenze da sistemi a microonde o telecomandi, occupano una parte dello spettro non soggetta a regolamentazioni, occupabile da tutti, motivo per cui sono state scelte per le realizzazioni di reti domestiche e aziendali (Wi-Fi).

raggiungibile trasmettendo sul LoS:

d = 3, 57(

p k ∗ hT +

p k ∗ hR)

dove k ≈ 4 / 3 e le due h sono le altezze delle antenne del trasmettitore e del ricevitore. La relazione che descrive la potenza ricevuta alla distanza d dalla sorgente (antenna) nel modello Free Space è detta formula di Friis:

PR = PT gT gR( 4 λπd )^2

dove gT e gR sono i guadagni di TX e RX e λ è la lunghezza d’onda della trasmissione; la relazione appena descritta evidenzia la relazione quadratica tra potenza e distanza.

1.3 Propagazione

Effetti della propagazione: in ambienti reali i modelli semplificati perdono valore poiché la trasmissione viene influenzata da diversi fenomeni da consider- are:

• Riflessione: fenomeno che avviene principalmente nei pressi dell’antenna trasmettitrice ma che assume rilevanza vicino a quella ricevente, i con- tributi che produce in ambienti reali sono praticamente infiniti essendo infinite le superfici su cui il segnale viene riflesso.
• Shadowing: fenomeno dovuto alla presenza di ostacoli interposti tra il TX e l’RX, le trasmissioni a frequenze più alte ne soffrono di più per la loro capacità di penetrazione minore.
• Rifrazione: quando un’onda incontra il bordo di un ostacolo, questo si comporta come un emettitore lineare.
• Scattering: quando un’onda incontra un oggetto più piccolo della lunghezza d’onda, l’oggetto si comporta come un punto emettitore.

Attenuazione per la distanza: gli ambienti reali introducono un numero elevatissimo di varibili difficilmente definibili e si ricorre quindi a modelli di riferimento in base alle situazioni. Per distinguere i modelli si usa il coefficiente di attenuazione η, compreso tra 2 (free space) e 5 (ambiente urbano). Nei mod- elli empirici più diffusi la formula dell’attenuazione del segnale al variare della

distanza d è la seguente:

PR = PT gT gR( 4 λπ )^2 d^1 η

la relazione concilia il modello Free Space con le situazioni più vicine al contesto di utilizzo comune.

1.4 Copertura

La copertura cellulare si riferisce alla disponibilità e alla qualità del segnale cel- lulare all’interno di un’area geografica specifica. Indica la presenza di una rete di telecomunicazioni cellulare che consente agli utenti di effettuare chiamate, in- viare messaggi e accedere ad Internet utilizzando dispositivi mobili come telefoni cellulari, smartphone e tablet. Approcci copertura: la copertura di un area attraverso la disposizione di stazioni radio base può essere affrontata in tre modi :

• Celle singola: progetto semplice, realizzazione semplice, costi di manuten- zione ridotti e grande mobilità. La singola stazione dispone di 12 canali ma si spreca potenza e banda e c’è interferenza solo con eventuali stazioni di aree vicine.
• Celle multiple: progetto, realizzazione e manutenzione complessi, mobilità disponibile solo se è implementata una politica di handover (possibilità di passare da una stazione ad un’altra in maniera trasparente), ogni stazione ha a disposizione 12 canali ma questo provoca una forte interferenza tra stazioni adiacenti nella stessa area.
• Celle multiple con divisione di frequenza: progetto, realizzazione e manuten- zione complessi, mobilità disponibile solo se è implementata una politica

Sectoring: è una tecnica utilizzata nelle reti cellulari per suddividere l’area di copertura di una cella in più settori o direzioni di trasmissione separati. Ogni settore è servito da una specifica antenna o gruppo di antenne, noto come settore antenna. Con questo metodo ogni settore può fornire una copertura più mirata e concentrata, riducendo l’interferenza tra i segnali trasmessi dalle diverse antenne e migliorando la qualità e l’affidabilità delle comunicazioni. L’implementazione del sectoring richiede la presenza di antenne direzionali o set di antenne per coprire ciascun settore. Inoltre, è necessaria una corretta pianificazione e con- figurazione per garantire una copertura uniforme e una sovrapposizione ridotta tra i settori adiacenti. I vantaggi del sectoring sono l’aumento della capacità, il miglioramento della qualità del segnale, la riduzione delle interferenze e il miglioramento dell’efficienza delle risorse; lo svantaggio è la maggiore necessità di handover.

Capacità di canale di Shannon: rappresenta il massimo tasso di infor- mazione che può essere trasmesso attraverso un canale di comunicazione senza errori, in presenza di rumore e interferenze, indipendentemente dalla natura del segnale trasmesso (analogico o digitale), ed è determinata dalla larghezza di banda del canale e dal rapporto segnale-rumore. Data la larghezza di banda BT , la capacità di canale C si esprime tramite la formula:

C = BT · log(1 + SN R)

1.5 Accesso radio

Accesso radio: processo mediante il quale i dispositivi mobili o le stazioni radio ottengono il diritto di utilizzare il mezzo di trasmissione radio per comunicare. Le risorse da condividere sono:

• Downlink: rappresenta la direzione del flusso dei dati dalla rete di co- municazione al dispositivo mobile o utente. L’access point si occupa di multiplare su più canali la trasmissione ai terminali utenti.
• Uplink: trasmissione di dati dal dispositivo mobile o utente verso la rete di comunicazione. Più utenti accedono simultaneamente ad un singolo access point.

Occorre quindi una divisione dei canali uplink e downlink in sottocanali a dis- posizione degli utenti tramite protocolli per l’accesso multiplo:

1.6 Protocolli a canalizzazione

I protocolli a canalizzazione dividono il canale principale in sottocanali as- segnati ai diversi utenti seguendo questi tre criteri:

• Frequenza: la Frequency Division Multiplexing (FDM) consiste nell’assegnare a ciascun utente una porzione specifica dello spettro di frequenza disponi- bile. Ogni canale ha una larghezza di banda specifica e una frequenza centrale,ciascun utente utilizza esclusivamente la banda che gli viene as- segnata.
• Tempo: il Time Division Multiplexing (TDM) è un protocollo di canaliz- zazione che consente a più dispositivi di condividere un unico canale di

1.7 Protocolli ad accesso casuale

Protocolli ad accesso casuale: utilizzati nelle reti wireless per consentire a più dispositivi di accedere al canale di trasmissione senza prenotazione o pi- anificazione. Tuttavia, possono causare problemi di congestione del canale e interferenze se troppi dispositivi cercano di accedere allo stesso tempo. Questi protocolli si differenziano per l’implementazione o meno del channel sensing os- sia la capacità di controllare se il canale è libero e si può iniziare a comunicare senza collisioni.

1.7.1 Aloha

Il protocollo più celebre tra quelli ad accesso casuale senza controllo del canale è Aloha, consente ad un dispositivo di trasmettere un pacchetto di dati in qualsiasi momento, senza prenotare il canale di trasmissione in anticipo. Se il pacchetto viene ricevuto correttamente dall’altro dispositivo questo invia un riscontro detto ACK, la trasmissione è avvenuta senza collisioni; se il riscontro non arriva entro un tempo 2 τ (dove τ è il tempo di propagazione stimato), la trasmissione viene considerata persa e il dispositivo ritenta dopo un intervallo di tempo casuale in modo da evitare una nuova collisione. Probabilità di successo: dipende principalmente dalla presenza di colli- sioni, ovvero quando due o più dispositivi cercano di trasmettere contemporanea- mente e i loro segnali si sovrappongono, causando la perdita dei dati trasmessi. Innanzitutto scrivo la legge di Poisson che modella la probabilità di k attivi nel tempo t:

pk(t) = (λt)

k k! e

−λt

e ricaviamo la probabilità di successo (cioè che non ci siano altre trasmissioni

in contemporanea) ponendo k = 0:

p 0 = SG = e−^2 G

e di conseguenza il numero medio di tentativi affinché un vada a buon fine è:

NT = GS = e^2 G

Definisco il numero medio di pacchetti in un intervallo T : G = λT dove λ è il carico normalizzato e T è il tempo di trasmissione del pacchetto. La portata S (throughput) del canale è quantità di dati che possono essere trasmessi o ricevuti su una connessione wireless in un determinato periodo di tempo. Consiste il prodotto di G e la probabilità di successo della trasmissione (cioè che non ci siano altri arrivi nel periodo 2T):

S = G · e−^2 G

La massima portata si ottiene per G = 1/ 2 e vale: SM AX = (^21) e = 0, 184 Posso calcolare anche il ritardo medio D, composto dalla somma dei tempi dovuti dai tentativi di trasmissione falliti e da quelli riusciti:

D = (e^2 G^ − 1)(T + 2τ + K^2 − 1 T ) + T + τ

e con il tempo normalizzato:

D∗^ = D/T = (e^2 G^ − 1)(1 + 2a + K^2 − 1 ) + 1 + a

Il periodo di vulnerabilità è un concetto, nel protocollo Aloha, che si riferisce al periodo di tempo in cui una collisione può verificarsi durante l’accesso radio. I dispositivi possono trasmettere i loro pacchetti dati in qualsiasi momento, senza una sincronizzazione specifica. Pertanto, se due o più dispositivi cercano di trasmettere contemporaneamente, si verifica una collisione e i pacchetti dati vengono persi. La portata è molto ridotta (al massimo 18% del canale) e, se c’è più traffico di quello ottimale, le prestazione degradano velocemente.

1.7.2 Slotted Aloha

L’evoluzione più comune ed utilizzata di Aloha è il protocollo slotted Aloha che divide il tempo in intervalli di tempo discreti e predefiniti, chiamati slot, la cui durata T corrisponde al tempo di trasmissione di un’unità informativa. Ciò

3. la stazione A ricevuto il CTS inizia a trasmettere.
4. la stazione B che riceve la trama di A senza errori invia il proprio ACK.

Le possibili opzioni per affrontare un canale occupato sono:

• Approccio persistente: attendo che il canale si liberi e poi trasmetto im- mediatamente, senza aspettare.
• Approccio non persistente: controllo una sola volta se il canale è libero, se non lo è attendo un intervallo pseudocasuale e poi trasmetto (in modo da desincronizzarmi con tutti gli altri utenti che vogliono comunicare).

Il secondo approccio è consigliato per le reti particolarmente trafficate. Si nota che rispetto ad Aloha la portata S è molto maggiore in relazione al traffico offerto G.

Figure 1: Funzionamento CSMA/CA

1.7.4 Slotted CSMA

In Slotted CSMA, il tempo è diviso in slot, corrispondenti al tempo di propagazione stimato. Prima di iniziare a comunicare, una stazione ascolta il canale per rile- vare la presenza di altre trasmissioni. Se il canale è libero, la stazione trasmette nel successivo slot di tempo. Se è occupato, la stazione attende fino a quando non diventa libero prima di poter trasmettere. L’obiettivo di Slotted CSMA è quello di evitare le collisioni che si verificano quando due o più stazioni trasmettono contemporaneamente e le loro trasmis- sioni si sovrappongono causando una perdita di dati. Per evitare le collisioni,

le stazioni possono utilizzare alcune tecniche come il "backoff" randomizzato, in cui una stazione ritarda la sua trasmissione per un periodo casuale di tempo dopo il rilevamento di un canale occupato.

1.7.5 Confronto

Riportiamo sotto la comparazione delle portate dei protocolli ad accesso causale:

Dove r s^2 rappresenta la potenza del segnale LoS mentre σ^2 quella delle altre componenti. Di conseguenza il rapporto r (^2) s σ^2 indica quanto il segnale domina sulle repliche dovute al fast fading.

• Shadowing (slow fading): dovuto ai fenomeni di riflessione e diffrazione prodotti dagli ostacoli, viene modellato attraverso una variabile log-normale, Pertanto, la potenza in dBW (valore medio PdB ) ha un’attenuazione Z = log(x), variabile gaussiana con deviazione standard σdB :

fZ (x) = √^1 2 π · σdB e

−(x−P (^) dB∗ )^2 2 σ^2 dB

2.2 Probabilità di errore

Outage Probability: probabilità di fuori-servizio, ossia probabilità di ricevere un segnale con un livello di potenza al di sotto di una soglia prestabilita PT H. Sia lo shadowing che il multipath fading influiscono ma avendo cause tra loro indipendenti i loro contributi sono separati:

• Multipath Fading: Data la potenza media P 0 e la soglia PT H posso scrivere che probabilità di fuori-servizio è:

Fp(PT H ) = 1 − e−^

PT HP 0

• Shadowing: Data dalla probabilità di superare la soglia in una distribuzione gaussiana: Fp(PT H ) =^12 erf c(− PdB √^ −^ PT H 2 σdB

Dove erf c() è la cosiddetta “error function complementare”, una funzione tabulata. Approfonditi questi fenomeni, si introduce il dimensionamento delle celle, ossia la scelta opportuna del loro raggio R per ottenere una potenza in ricezione desiderata in tutta la cella. Si definiscono per questa ragione due margini in- dipendenti utili per identificare le cause dell’attenuazione da compensare:

• Margine dovuto al multipath (MM )
• Margine dovuto allo shadowing (MS )

La potenza che si desidera ottenere in ricezione al bordo della cella è almeno equivalente alla somma tra la potenza di soglia (che rappresenta la sensibilità del ricevitore) e i due margini: PR ≥ PT H + MM + MS (si tratta di una somma poiché tutto in dB). A questo punto si definisce una probabilità di fuori servizio desiderata che si ritiene accettabile da cui si ricava il margine necessario per rientrare nel parametro:

POU T (R) =^12 · erf c( √MS 2 · σdB

Di conseguenza, si calcola il raggio relativo:

PR(d)|dB = PR(d 0 )|dB − 10 η · log 10 ( (^) dd 0