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WLAN (Wireless LAN):
Le reti wireless possono utilizzare onde radio o segnali infrarossi per comunicare e possono essere classificate in base all’estensione dell’area fisica che sono in grado di coprire. WPAN (IrDA, Bluetooth, ZigBee, …) hanno una distanza di copertura: fino a 10 – 15 m WLAN (WiFi) hanno una distanza di copertura fino a 50 m indoor @2,4 GHz WMAN (WiMAX) hanno una distanza di copertura fino a 50 Km WWAN (Mobile 2G, 3G, 4G e 5G – LoRaWAN – Satellite communication) coprono il territorio nazionale ed internazionale
WPAN:
- Coprono il campo d’azione di una persona (10-15 metri);
- Sono adatte per piccoli uffici o reti domestiche (domotica);
- Utilizza onde radio (Bluetooth) oppure segnali infrarossi (IrDA Infrared Data Association)
LONG RANGE:
LoRa (Long Range) è una tecnica di modulazione wireless basata sulla tecnologia Chirp Spread Spectrum (CSS). CODIFICA LE INFORMAZIONI SULLE ONDE RADIO UTILIZZANDO IMPULSI CHIRP. La modulazione è, in particolare, molto robusta contro i disturbi e può essere ricevuta a grandi distanze. Chirp = a chirp is a signal in which the frequency increases (up-chirp) or decreases (down-chirp) with time.
WLAN:
- Lo standard più diffuso per le WLAN è l’IEEE 802.11 ;
- Le ultime versioni sono la 802.11g (a 2,4 GHz), la 802.11n (a 2,4 GHz e 5 GHz) e la 802.11ac (a 5 GHz). Una WLAN con tipologia A Hoc è costituita dall’insieme delle stazioni che possono comunicare direttamente tra loro, via radio, senza un’infrastruttura di rete.
WLAN con infrastruttura:
L’insieme formato dall’Access Point e dalle stazioni poste nella sua zona di copertura è detto Basic Service Set (BSS), ovvero insieme di servizi di base, e costituisce una cella. La configurazione di un AP in una rete aziendale prevede l’impostazione dei parametri:
- SSID (Service Set Identifier);
- Potenza (max 100mW a 2,4GHz)
- Canale
- Crittografia
- NAT e DHCP
LA FUNZIONE NAT (Network Address Translation):
Un host che abbia configurato un indirizzo IPv4 privato non può accedere direttamente a Internet, in quanto gli indirizzi IPv4 privati contenuti nei pacchetti non ne consentono l’instradamento su Internet e vengono scartati dai router degli ISP. L’accesso a Internet di host appartenenti a reti e sottoreti IP private è reso possibile da una funzione denominata NAT (Network Address Translation) implementata negli apparati (router) tramite cui si accede a Internet. Quando un host appartenente a una rete o sottorete IPv4 privata, configurato con un indirizzo IPv privato, invia dei pacchetti verso Internet, la funzione NAT implementa nel router che fornisce l’accesso a Internet sostituisce nei pacchetti IPv4 in uscita ogni indirizzo Ipv4 privato con un indirizzo pubblico. Nel contempo esso tiene traccia dell’associazione fra indirizzo provato e indirizzo pubblico, in modo da poter effettuare la sostituzione inversa, ripristinando l’indirizzo IPv4 privato nei pacchetti in ingresso, che giungono da Internet, di modo che possano giungere all’host corretto.
CRITTOGRAFIA nelle WLAN: Esistono due tipi di crittografia:
- quelli che usano un algoritmo di crittografia
- quelle che usano un codice segreto in cui un carattere o un gruppo di caratteri rappresentano un significato.
Crittografia a chiave SIMMETRICA => Mittente e destinatario usano la stessa chiave.
Crittografia a chiave ASIMMETRICA:
Ogni host ha una CHIAVE PRIVATA e una CHIAVE PUBBLICA che viene distribuita agli altri host sulla rete. A seconda di come vengono usate possono avere 3 usi:
- CONFIDENZIALITÀ => solo il destinatario conosce la sua chiave privata. In questo caso A cifra con la chiave pubblica di B e B decifra con la sua chiave privata. Questo metodo non garantisce l’identità del mittente, chiunque con la chiave pubblica di B avrebbe potuto mandare il messaggio.
- AUTENTICAZIONE => A cifra con la sua chiave privata e B decifra con la chiave pubblica di B, così si è sicuri dell’identità del mittente. in questo caso si perde la confidenzialità.
- CONFIDENZIALITÀ, AUTENTICAZIONE, E INTEGRITÀ => si fanno tutte e due. Si cifra prima con la sua chiave privata, poi con quella pubblica di B e B prima decifra con la sua chiave privata e poi con quella pubblica di A.
CANALI RADIO:
Le WLAN a standard IEEE 802.11b e 802.11g operano in una porzione della banda radio denominata ISM (Industria, Scientific, Medical) che va da 2.4 a 2.4835 GHz per un totale di 83. MHz. Questa banda viene suddivisa in 14 canali con circa 20 MHz di banda. I canali adiacenti si sovrappongono. Le frequenze centrali sono distanziate 5 MHz. In Europa la normativa ETSI ha stabilito che si possono usare solo 13 canali. La frequenza centrale (fc) di ciascun canale, identificato dal numero di canale nc, può essere calcolata con la relazione $f_c=2407+(5 \cdot n_c)[MHz];1\leq n_c\leq 13$ Gli AP usano questi canali radio per soddisfare le richieste del client. Bisogna prestare attenzione a che non si sovrappongano le frequenze in caso della presenza di più AP o si causano interferenze. Ecco alcune regole per evitare questo:
- in una stessa area non dovrebbe essere presenti più di 3 AP;
- i canali radio impiegati dai tre AP dovrebbero essere distanziati di almeno 5 canali per evitare la sovrapposizione (ad es 1, 6, 11). In caso si debbano usare più di 3 AP allora si fa ricorso ad una rete cellulare che massimizza la distanza tra gli AP e ne minimizza le interferenze. Prima di installare un AP bisogna fare il site survey (sopralluogo) in modo da sapere se ce ne sono già altri e su che canali operano.
Normativa per il WiFi:
Su suolo privato si possono usare liberamente le frequenze, ma su suolo pubblico bisogna richiedere un’autorizzazione generale per l’uso. La normativa stabilisce anche un limite alla potenza massima di emissione di un apparato WiFi operante nella banda ISM a 2.4 GHz imponendo che l’EIRP rispetti il seguente valore: $EIRP{max} = +20 [dBm]$_ La potenza equivalente massima irradiata isotropicamente è parti a: $P{iso}=100mW$_ Per le WLAN con standard 802.11n possono operare sia nelle ISM da 2.4 GHz sia nelle porzioni di banda unlicensed da 5 GHz con canali che possono avere banda da 20 o 40 MHz. Le WLAN 802.11ac operano solo nelle bande unlicensed con canali che possono avere banda a 20, 40, 80 o 160 MHz. Per uniformare tutto con la banda ISM a 2.4 GHz , l’IEEE ha diviso in 201 canali la banda dai 5 ai 6 GHz , tutti con banda da 20 MHz le cui frequenze centrali fc sono distanziate 5 MHz. Per calcolare le fc dei vari canali usare la seguente formula: $f_c=5000+(5 \cdot n_c)[MHz];0\leq n_c\leq 200$ Ogni quattro numeri di canali si hanno canali non sovrapposti. Per formare un canale da 40 MHz si usano canali adiacenti distanti 4 numeri. Uno dei due diventa primario e l’altro secondario.
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Aviodance):
Se in un BSS ci sono più stazioni si deve applicare un metodo di accesso multiplo inquanto condividono lo stesso canale. Quando viene abilitata la Collision Avoidance, prima di trasmettere, avvengono le seguenti operazioni:
- La stazione tramette al destinatario un frame di controllo denominato RTS (Request To Send) che indica la durata della trasmissione.
- Le stazioni ricevono la RTS e impostano dei tempi di attesa in modo che la sorgente possa mandare un frame senza collisioni.
- Il destinatario riceve la RTS, la verifica e poi manda la CTS (Clear To Send, una verifica)
- Il mittente riceve la CTS e significa che tutti gli host si sono messi in attesa e che il canale è libero e può trasmettere.
- Il destinatario invia la conferma di ricezione con un frame ACK e poi usa un metodo di correzione dell’errore denominato ARQ (Automatici Repeat reQuest).
GESTIONE DELLA MOBILITÀ (CARATTERISTICHE GENERALI DEI SISTEMI DI
COMUNICAZIONE MOBILI CELLULARI):
- AUTENTICAZIONE => accertamento dell'identità degli utenti e del regolare abbonamento per poter effettuare o ricevere una chiamata.
- HANDOVER => insieme di procedure per evitare che una conversazione in corso cada a seguito di spostamenti che portano un utente a uscire dalla cella che lo sta servendo in un certo momento, per entrare nell'area servita da un'altra SRB.
- ROAMING => procedure per evitare interruzioni nel collegamento con cambio di operatore. I terminali sono rintracciabili anche quando non sono in conversazione. Per consentire il roaming, il sistema deve essere in grado di localizzare i propri utenti, memorizzandone la posizione in un database: LOCATION AREA (LA) è l'area geografica entro cui si ha un insieme di SRB che sono raggruppati per l’ottimizzazione del segnale.
- LOCATION UPDATING => aggiornamento della localizzazione, cioè la procedura con cui si aggiorna la localizzazione di una stazione mobile ogni qualvolta essa si sposta da una Location Area a un'altra. 1. Una stazione mobile accesa mantiene in memoria la LAI che riceve; 2. Se la MS non ha una LAI memorizzata, o diversa da quella in memoria, invia un messaggio di richiesta di Local Updating. 3. Il sistema aggiorna la localizzazione nel database. 4. Il sistema invia una conferma alla stazione mobile
- PAGING => Procedura con la quale il sistema radiomobile effettua una chiamata verso una stazione mobile, irradiando un messaggio di Paging nella Location Area in cui esso si trova. Alla ricezione del messaggio, la MS squilla.
EVOLUZIONE DELLA TELEFONIA CELLULARE: VERSO 5G
- 0G: radiomobili analogici destinati all'installazione fissa su veicoli
- 1G (prima generazione): cellulari analogici con standard TACS
- 2G (seconda generazione): primi cellulari digitali con standard GSM
- 3G (terza generazione): videocellulari e cellulari con standard UMTS ; tecnica CDMA
- 4G (quarta generazione): cellulari e smartphone con standard OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) e tecnologia LTE (Long Term Evolution)
- 5G (quinta generazione): tecnologia NOMA (NonOrthogonal multiple Access)
UTILIZZO DELLE RISORSE RADIO IN UN SISTEMA CELLULARE:
Un sistema cellulare opera instaurando dei collegamenti radio con i propri utenti tramite un insieme di frequenze (portanti radio) sulle quali sono realizzati i canali di comunicazione a sua disposizione. Esistono 5 TECNICHE DI ACCESSO MULTIPLO fondamentali per l'accesso e la condivisione tra più utenti del canale MS-BS (Mobile Station-Base Station):
1. FDMA = Frequency Division Multiple Access => La banda a disposizione del sistema viene suddivisa in N canali radio, ciascuno dei quali è centrato su una frequenza portante. Per comunicazione FULL-DUPLEX => Un canale per il downlink, cioè la direzione “stazione radio base” (SRB) - > stazione mobile (MS)Un canale per l’uplink, cioè per la direzione opposta, MS - > SRB - **Tecnica dei cellulari di prima generazione
- TDMA = Time Division Multiple Access =>** Ripartizione del tempo di accesso al canale da parte degli utenti che potranno utilizzarne l'intera banda, ma solo per un intervallo di tempo limitato (time slot). - Nei cellulari digitali di seconda generazione utilizzata tecnica FDMA-TDMA
RETI CELLULARI E UTENTI MOBILI:
Un sistema radiomobile opera instaurando collegamenti radio con i propri utenti tramite un insieme di frequenze, dette portanti radio (carrier) sulle quali sono realizzati i canali di comunicazione a sua disposizione. Queste frequenze sono comprese entro una banda assegnata, quindi i canali sono a numero limitato. Vi sono così tre problematiche da affrontare:
- tecnica per la comunicazione full-duplex
- accesso multiplo ai canali di comunicazione
- riutilizzo delle frequenze assegnate 1. TECNICHE DI DUPLEXING: Sono tecniche che consentono di realizzare reti full-duplex. Possono essere:
- FDD (Frequency Division Duplex) => si impiegano due canali con due frequenze differenti, uno per la comunicazione MS → SRB (upllink) e uno SRB → MS (downlink)
- TDD (Time Division Duplex) => consiste nel definire due timeslot su una stessa banda radio (frequenza portante), utilizzando quindi stessa frequenza in tempi diversi. 2. TECNICHE DI ACCESSO MULTIPLO: Servono a definire le modalità di accesso da parte degli MS. L’accesso multiplo è la tecnica con il quale più MS possono accedere ai canali di comunicazione liberi. Il sistema assegna a un MS il canale in modo dinamico nel momento in cui vi è necessità di instaurare connessioni. Una MS che effettua una chiamata deve:
- Inoltrare la richiesta alla rete
- Aspettare l’assegnazione di un canale libero
- Cambiare frequenza del trasmettitore sul canale assegnato
- Iniziare a trasmettere informazioni Sono le seguenti: A. SCPC-FDMA B. FDMA-TDMA A. SCPC-FDMA (SINGLE CHANNEL PER CARRIER - FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS) Con la FDMA la banda a disposizione del sistema viene suddivisa in N canali, ciascuno dei quali centrato su una frequenza portante. Questi costituiscono i canali di comunicazione. Per consentire uno scambio bidirezionale, si opera la FDD per i canali uplink e downlink. Con il SCPC ogni frequenza portante ha un canale di comunicazione. Utilizzato nei sistemi 1G.
B. FDMA-TDMA (FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS - TIME DIVISION MULTIPLE
ACCESS)
Con la FDMA la banda a disposizione del sistema viene suddivisa in N canali, ciascuno dei quali centrato su una frequenza portante, ma il canale radio NON coincide con quello di comunicazione. Con TDMA ogni canale viene condiviso secondo la tecnica dei timeslot a un certo numero di MS. Le portanti vengono assegnate ciclicamente a più host, che possono trasmettere solo nel timeslice assegnato. Utilizzato nei sistemi 2G.
EVOLUZIONE DEI CELLULARI:
RTMS (RADIO TELEFONO MOBILE DI SECONDA GENERAZIONE, 1973)
- Opera a 450MHz. - Territorio suddiviso in 10 aree. - Localizzazione automatica. - 200 canali radio. - Modulazione FM. - Handover automatico se non effettuato tra centri di controllo. TACS (TOTAL ACCESS COMMUNICATION SYSTEM, 1990 ) - Opera a 900MHz. - Modulazione FM. - Territorio suddiviso in celle, ognuna con SRB. - SRB controllati da MSC (Mobile Switching Centre) - Prevede in totale 1320 canali bidirezionali, allocati nella banda: o 872 ÷ 905 MHz per la trasmissione da mobile a fisso o 917 ÷ 950 MHz per la trasmissione da fisso a mobile GMS (GLOBAL SYSTEM FOR MOBILE COMMUNICATION)
- 2G
- 2.5G
- 2.75G (EDGE)
- 3G (UMTS)
- 4G (LTE)
COMPONENTI DELLA GSM:
1. MOBILE STATION
Una Mobile Station costituisce la stazione mobile con la quale un utente GSM può accedere alla rete per usufruire dei suoi servizi di telecomunicazione. Composto da:
- ME (Mobile Equipment) => l’apparato mobile vero e proprio, comprendente tutto l’hardware; ogni ME ha un numero di serie IMEI (International Mobile Equipment Identity).
- SIM (Subscriber Indentity Module) => modulo dotato di microprocessore e memoria in cui sono contenuti i dati di abbonamento e gli algoritmi che consentono alla rete di riconoscere un utente. Ogni SIM è dotata di un proprio numero di serie e può essere protetta da una password personale, il PIN (Personal Identification Number). 2. MSC (Mobile services Switching Center): È una centrale di commutazione digitale realizzata con tecnologia hardware delle centrali telefoniche adattata alla rete radiomobile. Funzioni del MSC:
- CONTROLLO CHIAMATE: individua l’origine e destinazione delle chiamate, se provengono\sono dirette da\a MS o rete fissa; distingue le chiamate tra diversi MS.
- INTERWORKING CON ALTRE RETI: insieme di funzioni da mettere in atto quando si comunica tra utente GSM e utente di rete fissa, o dati verso rete fissa.
- GATEWAY: analizza le cifre del numero telefonico dell’utente GSM e interroga un database (HLR) per conoscere la localizzazione dell’utente mobile.
- TASSAZIONE CHIAMATE: raccoglie informazioni per la tassazione delle chiamate e le passa a un centro esterno (Billing Centre) che elabora e tassa gli utenti.
- CONTROLLO DEL SOTTOSISTEMA BSS (BASE STATION SUBSYSTEM): controlla le decisioni di alto livello che devono essere prese per completare una connessione verso una Mobile Station (MS). L’MSC deve comandare e coordinare l’azione delle unità funzionali presenti nel BSS, affinché sia possibile instaurare un canale radio che completi una connessione da/verso la MS.
- SCAMBIO DELLA SEGNALAZIONE: per lo scambio delle segnalazione sia verso il BSS sia verso la rete fissa. VLR (Visitor Location Register) => è una unita realizzata da una database che memorizza tutte le informazioni necessarie per trattare le chiamate da\verso MS che si trovano nell’area da esso controllata. HLR (Home Location Register) => è un registro per la localizzazione degli utenti di un Operatore. Serve a amministrare i dati relativi agli abbonamenti degli utenti, come l’inserimento di nuovi abbonati, la modifica di essi, ... Per motivi pratici un Operatore di rete installa normalmente un certo numero di HLR fisici (cioè di elaboratori e database veri e propri), suddividendo1 propri utenti tra essi. In questo modo si evita di sovraccaricare un'unica macchina e si velocizzano le interrogazioni ai database.
SISTEMA UMTS (3G):
La sua standardizzazione procede per release: inizia con la R99, detta anche R3, e poi seguono numerazione progressiva (R4,R5,...). Ogni release fornisce una versione stabile delle specifiche impiegabili dagli Operatori e dai costruttori.
SISTEMI DI 4° GENERAZIONE
Il termine tecnico con cui si indica il sistema di comunicazione mobile 4G è:
- EPS (Evolved Pack System) Detto commercialmente:
- LTE (UMTS Long Term Evolution). 1. ARCHITETTURA DEL EPS:
- SISTEMA DI ACCESSO RADIO LTE => comprende l’ interfaccia radio E-UTRA e la rete di accesso E-UTRAN.
- CORE NETWORK (rete di trasporto) EPC a commutazione di pacchetto IP con priorità QoS (Quality of Service).
- Il dispositivo utente viene denominato USER EQUIPMENT (UE) , impiegato dagli utenti per accedere via radio al sistema EPS.
- INTERFACCE RADIO => impiegano tecnologie diverse: o FDMA-TDMA (Frequency Division Multiple Acccess) => per l’interfaccia radio della rete di accesso dei sistemi GSM/GPRS (2G) o WCDMA (Wideband Code Division MA) => per l’interfaccia radio delle reti di accesso del sistema UMTS (3G) detta UTRA. o OFDMA (Orthogonal Frequency Division MA) nel downlink e SC-FDMA (Single-Carrier Frequency Division MA) nell’uplink => per l’interfaccia radio della rete di accesso LTE (4G) detta E-UTRA. Le tecniche sopra citate sono le due varianti di OFDM. 2. CARATTERISTICHE DEL SISTEMA LTE:
- Può operare su molte bande di frequenza
- Può operare con canali radio aventi larghezza di banda diversa
- adotta due varianti della OFDM (OFDMA e SC-FDMA (Single Carrier FDMA))
- Impiega metodi di modulazione adattivi:
- QPSK (4-PSK), 16-QAM, 64-QAM in downlink;
- BPSK (2-PSK), QPSK (4-PSK), 16-QAM in uplink.
3. TECNICA OFDM e DMT: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) => si basa sulla suddivisione dell’interra banda di canale a disposizione in un numero K elevato di sottobande. In ognuna si trasmettono in simboli ottenuti modulando una sottoportante ortogonale rispetto alle altre. In questo modo si trasferiscono in parallelo blocchi di K simboli su K sottoportanti tra loro ortogonali. Nei sistemi ADSL ciò prende il nome di DMT (Discrete Multi Tone). La sottoportante modulata viene definita ortogonale rispetto alle altre quando nel punto in cui il suo spettro presenta il massimo, gli altri spettri delle altre sottoportanti modulate si annullano. Con la tecnica OFDM il flusso di bit (ad alta velocità) da trasmettere viene parallelizzato in K flussi a velocità inferiore, ognuno dei quali è mappato sui simboli ottenuti modulando una sottoportante spaziata in frequenza delle altre a valore minimo di: 𝛥𝑓 = 1 𝑇𝑠 [𝐻𝑧] CARATTERISTICHE OFDM:
- Il flusso di bit ad alta velocità da trasmettere viene parallelizzato e suddiviso in un numero elevato di flussi a velocità inferiore.
- La banda di canale a disposizione suddivisa in sotto-bande, ognuna delle quali trasmette a velocità bassa modulando una sotto-portante (sub-carrier).
- Le sotto-portanti modulate sono ortogonali tra loro => in corrispondenza del picco spettrale posto alla frequenza di una sottoportante, gli spettri delle altre sottoportanti modulate si annullano.
- Per ottenere l’ortogonalità l’intervallo di frequenza, 𝛥𝑓, che separa le sottoportanti adiacenti deve essere pari all’inverso del tempo di simbolo 𝑇𝑠.
