slide sistemi wireless

Corso di Misura per
l’Automazione e la Produzione
Industriale
LE TECNOLOGIE WIRELESS
PER I SISTEMI DI MISURA
DISTRIBUITI:
Bluetooth ZigBee WiFi
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
Generalità delle tecnologie wireless
Uno dei vantaggi più evidenti di un mondo “senza fili” è
rappresentato dalla telefonia mobile e in particolare dalle
tecnologie Gsm, Umts, Gprs ma a costi non nulli!
Da qualche anno a questa parte si sono fatte largo nel
panorama delle comunicazioni le tecnologie di connessione
wireless personali con caratteristiche e funzionalità diverse
da quelle della telefonia mobile
Le reti che hanno questo scopo prendono il nome di
WPAN, Wireless Personal Area Network: costo esiguo,
data rate basso, raggio d’azione limitato
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
Generalità delle tecnologie wireless
La prerogativa delle WPAN è quella di diffondersi ovunque vi
sia necessità di connessione wireless:
reti domestiche per il comando di ogni apparecchiatura
terminali palmari per la lettura della posta elettronica
“radiocomando” di attuatori meccanici, macchine utensili
Altri emergenti campi applicativi delle WPAN sono i sistemi
di misura distribuiti!!!!
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
Possibilità nell’ambito delle applicazioni di misura
Le interfacce classiche che compongono le stazioni
automatiche di misura impongono, grossi limiti di attiguità alla
strumentazione a cui sono connesse
Gli stessi cavi di interfaccia costituiscono un grosso ostacolo,
imponendo spesso vincoli alla distribuzione degli spazi negli
ambienti industriali e nei laboratori scientifici
Qualsiasi cambiamento si volesse imporre alla configurazione
fisica in tali stazioni di misura, ad esempio l’aggiunta o la
rimozione di uno strumento, non può essere effettuato senza
interruzione di servizio e senza aggiornamento del software
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
Le tecnologie wireless più diffuse
Fra le nuove tecnologie candidate a dare vita alle WPAN ci
sono Bluetooth, WiFi, Zigbee e UWB
Bluetooth (IEEE 802.15.1) permette di connettere con basso
consumo di energia dispositivi diversi nel raggio di 10-100
metri ad una velocità massima di 1 Mbps (nominale)
Zigbee (IEEE 802.15.4), adatta alla radioconnessione di
piccoli dispositivi nell’ambito del monitoraggio industriale,
consente la realizzazione di reti wireless a basso consumo e
velocità di trasmissione che va da 20 a 250 kbps
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia BlueTooth
Lo scopo principale della nascita della tecnologia BlueTooth
risiede nella capacità di far dialogare e interagire fra loro
dispositivi diversi (telefoni, stampanti, notebook, PDA,
computer, impianti HiFi, PC, cellulari, elettrodomestici, etc.)
senza la necessità di collegamenti via cavo e nel range di 10 m
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia BlueTooth
La prima generazione di prodotti era rivolta principalmente al
“traveling business people”: portatili dotati di trasmettitori
Bluetooth avrebbero permesso di eliminare cavi e connettori
I criteri guida per il design dell’interfaccia radio dovevano però
già da subito soddisfare certe esigenze applicative:
Il sistema doveva operare globalmente ossia in qualsiasi Paese
Le connessioni dovevano sostenere simultaneamente voce e dati per applicazioni
multimediali
Il radio transceiver doveva essere piccolo e con bassi consumi di potenza
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia BlueTooth
Una banda di frequenze che soddisfa tali requisiti è a 2.45
GHz Industrial-Scientific Medical (ISM) band, il cui range è 2,400 2,483.5 MHz in USA, Giappone ed Europa (eccetto Spagna e
Francia)
L’ampiezza di canale (ci sono 79 canali) è di 1MHz; sono
previste delle bande di guardia
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La tecnologia BlueTooth
CARATTERISTICHE DEL TRASMETTITORE
Viene specificato il livello di potenza al connettore dell’antenna
I trasmettitori sono catalogati in tre classi
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La tecnologia BlueTooth
RF
1) Il ricetrasmettitore BT lavora
nella banda scientifica medica
industriale (ISM)
2)
Livelli
di
trasmettirore
potenza
del
3) Tipi di modulazione
4) Caratteristiche del ricevitore
(sensibilità)
5) Comportamento del sistema
fuoribanda
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SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia BlueTooth
BASEBAND
1) Modalità di accesso al canale FH,
TDD
2) Banda dei canali vocali e non,
canali sincroni e asincroni
3) Canali fisici (79 da 1 MHz)
4) Tipo di connessioni (Punto-Punto,
Punto-Multipunto)
5) Numero di dispositivi per ogni
piconet (7 dispositivi, 1 master che
gestisce l’accesso al canale)
6) Modalità di sincronizzazione tra
master e slave (si sincronizzano
rispetto al clock del master)
7) Indirizzamento
8) Il formato dei pacchetti
9) Controllo di flusso
10)Temporizzazione della
trasmissione/ricezione
11) Stati di funzionamento dei
dispositivi BT
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La tecnologia BlueTooth
LINK MANAGER
Definisce dei messaggi per la
sicurezza
L2CAP
1) Definisce e gestisce alcuni servizi
di livello superiori (QoS)
2) Capisce se i pacchetti sono single
slot o multi slot
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La tecnologia BlueTooth
0 dBm = 1mW
4 dBm = 2.5mW
20 dBm = 100mW
il livello di segnale in
ingresso per il quale si
ottiene un BER dello 0.1%
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La tecnologia BlueTooth
Un sistema radio che opera nella banda ISM deve tuttavia
fronteggiare un numero imprevedibile di sorgenti rumorose quali
baby monitor, telecomandi per le porte del garage, telefoni cordless
e (la maggiore) forni a microonde
L’interferenza può essere evitata utilizzando uno schema adattativo
che ricerchi una parte dello spettro inutilizzata oppure può essere
soppressa con una tecnica spread spectrum che protegge anche
dal fading dovuto al canale (riflessioni determinano cammini
multipli)
Le tecniche di spread spectrum sono state inizialmente sviluppate
per scopi militari e di spionaggio. Lo scopo è quello di disperdere il
segnale che trasporta le informazioni su una maggiore ampiezza di
banda per complicare le attività di disturbo e di intercettazione
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La tecnologia BlueTooth
Bluetooth utilizza come tecnica spread spectrum il
frequency hop (FH) perché offre l’implementazione radio
migliore dal punto di vista dei costi e del consumo di potenza
Il sistema FH divide la banda di frequenza in più hop channels
Un’eventuale
intercettatore potrà udire
solo degli spezzoni
estremamente brevi e
non intelligibili
Ogni tentativo di
disturbare il segnale su
una frequenza avrà il
solo effetto di far perdere
qualche bit
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La tecnologia BlueTooth
L’ampiezza di banda totale viene
suddivisa in 79 canali fisici con
ampiezza di banda 1MHz
Durante una connessione, il radio transceiver salta da un canale ad un
altro in modo pseudo-casuale
La larghezza di banda istantanea (del singolo hop) è in tal modo piccola,
ma l’allargamento dello spettro è ottenuto sull’intera banda di frequenza;
si ottengono così dei transceiver narrow band a basso costo e con
massima immunità all’interferenza da rumore
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La tecnologia BlueTooth
I canali Bluetooth utilizzano uno schema FH/TDD (FH/time
division duplex)
Il canale è suddiviso in slot temporali
consecutivi di durata pari a 625 µs
Ogni canale fisico viene occupato per
un tempo pari a 625 µs
Cio è dovuto ad un tasso di hopping
pari a 1600 hops/secondo
TDD sta ad indicare che i dati
vengono trasmessi in una direzione
per volta e la trasmissione si alterna
fra le due direzioni
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La tecnologia BlueTooth
IMMUNITA’ AI DISTURBI
La tecnica del frequency hopping è applicata con un tasso di
salto (hop) elevato su pacchetti di lunghezza limitata (1600 hop/s
per un pacchetto da uno slot). Quindi, se un pacchetto è perduto,
solo una piccola porzione di messaggio va persa
I pacchetti possono essere protetti con il forward error control
I pacchetti dati sono protetti con uno schema ARQ (ritrasmissione
automatica) in cui i pacchetti persi sono automaticamente
ritrasmessi. Il ricevente controlla ogni pacchetto per errori: se si
riscontrano errori, lo si indica nell’header del pacchetto di
risposta.
Solo i pacchetti perduti devono essere ritrasmessi
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La tecnologia BlueTooth
Il canale FH è determinato dalla sequenza FH (ossia l’ordine
in cui si accede alle frequenze) e dalla fase nella sequenza
La sequenza è determinata dall’identità del master della
piconet e la fase è determinata dal clock di sistema dell’unità
master
L’unità slave si allinea al clock del master
Architettura MASTER-SLAVE
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La tecnologia BlueTooth
In ogni slot temporale si può scambiare un singolo pacchetto
tra l’unità master e quella slave
Ciascun pacchetto comincia con 72 bit di codice d’accesso,
unico per ogni canale e derivato dell’identificativo del master
(tutti i dispositivi in ricezione lo verificano e se tale codice non
è quello atteso il pacchetto viene ignorato)
Segue un header di 54 bit, contenente importanti informazioni
di controllo quali: l’indirizzo slave a 3bit, tipo di pacchetto, bit
per il controllo di flusso
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La tecnologia BlueTooth
Due o più unità che condividono lo stesso canale formano
una piconet; un’unità agisce come master, controllando il
flusso di traffico sulla piconet (7 slave + 1 master), le altre come
slave
In ogni caso può esistere un solo
master e sette elementi attivi slave
sul canale per volta
Ogni unità nella piconet utilizza
l’identità del master e il clock per
agganciarsi al canale di hopping
Topologia STAR punto-punto
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La tecnologia BlueTooth
Un gruppo di piconet che condividono risorse e unità è detto
scatternet
4 piconet
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La tecnologia BlueTooth
La stessa area può essere coperta da molteplici piconet e
poiché ogni piconet ha un differente master, la sequenza di
hop per la portante che la contraddistingue sarà differente da
tutte le altre; in aggiunta i pacchetti trasportati sui canali sono
preceduti da diversi codici di accesso
Un’unità può agire come slave in più piconet, ma solo in
una piconet come master: due piconet con lo stesso master,
sarebbero sincronizzate sulla stessa sequenza di hop e
dunque indistinguibili
Man mano che si aggiungono piconet però, la probabilità di
collisione aumenta; consegue una degradazione delle
performance del sistema
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SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia BlueTooth
PERCHE’ PICONET E SCATTERNET?
Supponiamo ci siano 100 utenti; se tutti appartengono allo
stesso network, allora avranno da condividere uno stesso
canale da 1 MHz e avranno un throughput per utente pari a
10 kbit/s, un throughput aggregato di 1 Mbit/s.
Supponiamo ora che non tutte le unità siano interessate a
comunicare tra loro; potremmo suddividere la piconet in più
piconet indipendenti. Per esempio, dividiamoli in 5 per
gruppo, ossia formiamo 20 piconet. Con soli 5 utenti che
condividono il canale di 1 MHz il throughput unitario passa a
200 kbit/s e il throughput aggregato aumenta a 20 Mbit/s
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La tecnologia BlueTooth
STABILIRE UNA CONNESSIONE
Il canale in una piconet è caratterizzato interamente dal master
della piconet
Per definizione il master è rappresentato da quella unità che
inizia la connessione con uno o più slave
I nomi master e slave si riferiscono unicamente al protocollo
adottato: tutte le unità BT sono identiche ed una volta stabilita
una piconet il ruolo di master e di slave possono essere
scambiati
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La tecnologia BlueTooth
STABILIRE UNA CONNESSIONE
L’unità per il controllo della connessione opera in due stati
fondamentali: Standby e Connection
Lo stato di Standby, previsto per default, è caratterizzato da un
basso consumo. In tale stato è attivo il solo clock presente a
bordo del modulo e non vi è interazione alcuna con i moduli
presenti nell’area coperta dalla piconet
Nello stato Connection il modulo master e gli slave possono
scambiare pacchetti
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La tecnologia BlueTooth
Tra lo stato di Standby
e quello di Connection
vi sono altri sette sotto
stati utilizzati per
aggiungere alla piconet
altri slave:
page, page scan, inquiry,
inquiry scan, master
response, slave response,
inquiry response
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La tecnologia BlueTooth
PAGE
Utilizzato dal master per attivarsi
e connettersi a uno slave.
Il master invia dei messaggi
contenenti il DAC (Device
Access Code) dello slave
M/S
M
S
PAGE SCAN
Il dispositivo slave è in ascolto di
un messaggio di paging con il
proprio DAC
M/S
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La tecnologia BlueTooth
MASTER RESPONSE
Un dispositivo che agisce da master
riceve una risposta di paging da uno
slave. Il dispositivo può quindi entrare
nello stato connection o tornare allo
stato page per i messaggi paging giunti
dagli altri slave
SLAVE RESPONSE
Un dispositivo che funge da slave
risponde a un messaggio di paging di
un master. Se l’impostazione della
connessione ha successo, il dispositivo
slave entra in stato connection
altrimenti restituisce lo stato page
M/S
M
S
M/S
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La tecnologia BlueTooth
INQUIRY
M/S
Il dispositivo master ha emesso una
richiesta per conoscere l’identità dei
dispositivi che si trovano nella stessa
area di copertura
INQUIRY SCAN
S
S
Il dispositivo slave è in ascolto di una
richiesta
INQUIRY RESPONSE
Un dispositivo slave risponde alle
richieste del master
M/S
M
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SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia BlueTooth
La procedura di INQUIRY
Si effettua l’identificazione dei dispositivi presenti nell’area di copertura
attraverso un pacchetto (inviato dal master) contenente il codice IAC (Inquiry
Access Code, unico per tutti i dispositivi Bluetooth)
Gli slave periodicamente entrano in Inquiry Scan per verificare se c’è
richiesta da un master e rispondere, portandosi nello stato di Inquiry
response. Successivamente il master dovrebbe reinviare un messaggio di
conferma agli slave che hanno risposto
Una volta che un dispositivo ha risposto a un Inquiry, passa nello stato Page
Scan per restare in attesa di un messaggio di paging dal master e attivare
una connessione
Se nella fase di Inquiry Response si verifica una collisione, lo slave non
riceverà tale messaggio dal master e quindi ritorna nello stato Inquiry Scan
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La tecnologia BlueTooth
La procedura di PAGING
Una volta che il master ha trovato dei dispositivi può attivare una connessione
con ognuno di questi dispositivi, configurando così una piconet
Lo slave selezionato risponde al DAC con lo stesso pacchetto inviatogli dal
master
Il master invia il proprio clock per la gestione del frequency hoppping
Lo slave risponde con lo stesso pacchetto per confermare la ricezione
Il master passa dallo stato master response allo stato Connection
Lo slave passa dallo stato slave response allo stato Connection
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La tecnologia BlueTooth
Lo stato CONNECTION
Ogni dispositivo slave BT connesso ad una piconet può
trovarsi in uno dei seguenti quattro stati: active, hold, sniff e
park.
ACTIVE
In modalità active il modulo BT partecipa attivamente alla
connessione, questo vuol dire che il master assegna a tale
dispositivo un intervallo temporale composto da uno a cinque
intervalli da 625us, in funzione del traffico totale e delle
richieste degli altri moduli
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La tecnologia BlueTooth
Lo stato CONNECTION
SNIFF
In questa modalità il duty cycle dell’attività di ascolto degli slave viene ridotto.
Lo salve ascolta solo gli slot relativi ai propri messaggi di sniff mentre
negli altri intervalli di tempo opera in modalità basso consumo
Ciò è possibile perché il master designa un determinato numero di time slot
per le trasmissioni ad un determinato slave
HOLD
Temporaneamente il dispositivo non supporta traffico. Prima di passare
in hold mode il master e lo slave decidono il tempo di permanenza in hold
mode ed un timer viene inizializzato. Quando il timer termina, il
dispositivo si sveglia , si sincronizza ed attende ulteriori istruzioni dal
master. Lo slave potrebbe partecipare ad un’altra piconet!!
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SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia BlueTooth
Lo stato CONNECTION
PARK
Un dispositivo che non ha bisogno di partecipare alla
piconet ma vuole rimanere sincronizzato al canale può
portarsi in park mode
Lo slave parked ascolta il canale ad intervalli regolari per
sincronizzarsi e per ascoltare i messaggi broadcast
Il parked mode è utile per connettere più di sette slave allo
stesso master anche se, in ogni istante non possono essere
attivi più di 7 slave contemporaneamente (virtualmente si
riesce a connettere 255 slave)
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La tecnologia BlueTooth
UN ESEMPIO DI APPLICAZIONE NELLE MISURE
Il modulo può essere suddiviso in un numero di blocchi
funzionali descritti di seguito
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La tecnologia BlueTooth
UN ESEMPIO DI APPLICAZIONE NELLE MISURE
L’antenna è piccola a larga banda, omnidirezionale tipo SMD (Sourface
Mount Device)
Filtro Passa-Basso per il segnale proveniente o diretto verso l’antenna
Un blocco amplificatore per amplificare il segnale (classe 1) in accordo con
lo standard Bluetooth
Blocco di trasmissione e ricezione
Chip a radio frequenza BCM2033
Oscillatore a cristallo per generare il segnale di clock
Memoria Flash contenente il firmware
Interfaccia hardware digitale UART o USB
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La tecnologia BlueTooth
UN ESEMPIO DI APPLICAZIONE NELLE MISURE
IL MODULO RADIO
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La tecnologia BlueTooth
UN ESEMPIO DI APPLICAZIONE NELLE MISURE
IEEE-488-Bluetooth (Controller)
RS-232-Bluetooth (Controller)
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La tecnologia BlueTooth
UN ESEMPIO DI APPLICAZIONE NELLE MISURE
IEEE-488-Bluetooth (Controller)
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La tecnologia BlueTooth
UN ESEMPIO DI APPLICAZIONE NELLE MISURE
RS-232-Bluetooth (Controller)
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
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La tecnologia BlueTooth
I BENEFICI DEL BROADCAST
PC
RS232-BT
BT-RS232 1
Strumento 1
BT-RS232 2
Strumento 2
BT-RS232 7
Strumento 7
Con una sola interfaccia RS232-BT si possono avere fino a 7
strumenti (o addirittura 255) che ricevono messaggi broadcast
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La tecnologia BlueTooth
I BENEFICI DEL BROADCAST
Strumento 1
BT-IEEE488 1
PC
Strumento 2
Strumento 20
IEEE488-BT
Strumento 1
Con una sola interfaccia IEEE488-BT si
possono avere fino a 7 * 20 strumenti (o
addirittura 255*20) che ricevono messaggi
broadcast
BT-IEEE488 7
Strumento 2
Strumento 20
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La tecnologia BlueTooth
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia BlueTooth
VANTAGGI
Scomparsa dei cavi: ciò aggiunge notevoli vantaggi di flessibilità nella
realizzazione logistica della stazione di misura
Numero massimo di dispositivi collegabili
Raggio di azione molto ampio
Risparmio dei costi di interfaccia:si potrà realizzare una stazione di misura senza
dove necessariamente avere sul pc master tante porte seriali quanti sono gli
strumenti
Integrazione dei diversi standard: nell’ipotesi di sviluppare in futuro interfacce
wireless che si integrino con le altre interfacce wired (usb, etc)
SVANTAGGI
L’unico svantaggio è il rallentamento della velocità di trasferimento
LE FUNZIONI LABVIEW PER IL
BLUETOOTH
Bluetooth Discover Function
Bluetooth Create Listener Function
LE FUNZIONI LABVIEW PER IL
BLUETOOTH
Bluetooth Wait On Listener Function
Bluetooth Open Connection Function
LE FUNZIONI LABVIEW PER IL
BLUETOOTH
Bluetooth Write Function
Bluetooth Read Function
LE FUNZIONI LABVIEW PER IL
BLUETOOTH
Bluetooth Get Mode VI
Bluetooth Set Mode VI
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia ZigBee
• Perché consente bassissimi consumi in virtù di
un duty-cycle anche <1% (i dispositivi possono disattivarsi
temporanemante)
• Perché ha un basso costo
• Perché consente di ottenere un’alta densità di nodi
per rete
SCOPO: Protocollo pensato per reti W-PAN a bassa bit rate
costituite da dispositivi alimentati tramite batterie che non possono
essere sostituite frequentemente, come le reti di sensori;
…. potrebbe essere una buona soluzione per
applicazioni di misura
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
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La tecnologia ZigBee: confronto con soluzioni alternative
Standard
IrDA
Wi-Fi™
802.11b
Applicazioni
Comunicaz.
Seriale a
basso Data
Rate
Networking
Video
Dimensioni
Stack
-
Nodi
Data Rate
(kb/s)
Bluetooth™
802.15.1
UWB™
802.15.3
ZigBee™
802.15.4
Audio e dati
Video,
dati,
tracking
Sensori,
Monitoraggio
& Controllo
1MB+
250KB+
-
32KB
1
32
7
-
255
4.000
5.500+
723.2 (Dir)
57.6 (Rev)
100.000+
20 - 250
-
1 - 100+
Basso
Basso
Raggio di
copertura
(Metri)
1-2
1 - 100
100+ (Cl. 1)
10 (Cl. 2)
1 (Cl. 3)
Consumo
Medio
Medio/Alto
Medio
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia ZigBee
• La tecnologia ZigBee si basa sullo standard IEEE 802.15.4 che ne
definisce le direttive a livello fisico e del controllo degli accessi al
canale
• ZigBee identifica l’alleanza industriale che mira a promuoverne lo
sviluppo e la diffusione
Application
API
Security
Network
MAC
PHY
Alleanza
ZigBee
IEEE
802.15.4
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SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia ZigBee
LE POSSIBILI APPLICAZIONI
Allarmi
Sistemi di riscaldamento
Controllo illuminazione
Controllo dell’accesso
BUILDING
AUTOMATION
Monitoraggio
pazienti
Monitoraggio
attività fisica
CONSUMER
ELECTRONICS
TV
VCR
DVD/CD
Controlli da remoto
ZigBee
PERSONAL
HEALTH CARE
Controllo di processo
Monitoraggio ambientale
Gestione dell’energia
Wireless Control that
Simply Works
INDUSTRIAL
CONTROL
RESIDENTIAL/
LIGHT
COMMERCIAL
CONTROL
PC &
PERIPHERALS
mouse
keyboard
joystick
Allarmi
Sistemi di
condizionamento
Controllo illuminazione
Controllo accesso
Irrigazione
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia ZigBee
CARATTERISTICHE GENERALI
Dual PHY (2.4GHz e 868/915 MHz)
Data rates di 250 kbps (@2.4 GHz) O-QPSK, 40 kbps (@ 915 MHz), BPSK, e 20 kbps (@868
MHz), BPSK
Ottimizzata per applicazioni con basso duty-cycle (<0.1%)
Modalità di accesso al canale: CSMA-CA
Consente anche di avere un throughput alto e bassa latenza per dispositivi con
basso duty-cycle come sensori e dispositivi di controllo
Low power demand (lunga vita delle batterie)
Diverse topologie di rete: star, peer-to-peer, mesh
Spazio di indirizzamento fino a:
18,450,000,000,000,000,000 dispositivi (64 bit IEEE address)
65,535 networks
Opzionalmente è possibile garantire dei Time slot per applicazioni che richiedano bassa
latenza
Fully hand-shaked protocol per l’affidabilità del trasferimento dati
Range: tipicamente 50m (5-500m dipendentemente dall’ambiente)
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia ZigBee
LIVELLO FISICO (PHY)
Lo standard prevede
tre bande di
frequenza per la
comunicazione,
ognuna delle quali
offre un diverso
numero di canali e
una differente
velocità per i dati
MODULAZIONE
UTILIZZO
DATA RATE
CANALI
2.4 GHz
O-QPSK
Ovunque
250 kbps
16
915 MHz
BPSK
Americhe
40 kbps
10
868 MHz
BPSK
Europa
20 kbps
1
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
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La tecnologia ZigBee
LIVELLO FISICO (PHY)
Adotta un sistema di modulazione del tipo Direct Sequence Spread Spectrum
(DSSS), tecnologia di trasmissione a "frequenza diretta" a banda larga, ogni bit
viene trasmesso come una sequenza ridondante di bit, detta chip
Il segnale risultante viene propagato su una banda maggiore di quella necessaria
ma con livelli di potenza molto bassi
DSSS
FHSS
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia ZigBee
802.15.4 ha un
comportamento
eccellente anche in
ambienti rumorosi
Bluetooth
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia ZigBee
LIVELLO FISICO (PHY)
CSMA-CA per l’accesso al canale
(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance): prima
di effettuare una trasmissione il sistema "ascolta" se qualcun
altro non lo stia già facendo
Una stazione che vuole trasmettere deve prima rilevare il canale
per determinare se un’altra stazione è già in transmissione
(CSMA)
Tuttavia si potrebbero avere delle collisioni se due nodi trovano il
canale libero e provano a trasmettere contemporaneamente (è
necessario CA)
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
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La tecnologia ZigBee
LIVELLO FISICO (PHY)
CSMA-CA per l’accesso al canale
La modalità CSMA/CA prevede un minimo gap tra le trame di un
determinato utente, cioè la stazione che ha trasmesso la trama deve
aspettare un intervallo di tempo prima di ritrasmettere.
La stazione, in pratica, seleziona un tempo di attesa casuale prima di
"ascoltare" di nuovo e verificare che un canale libero sia disponibile per la
trasmissione.
Se il canale è ancora occupato, viene selezionato un altro intervallo di
tempo minore del primo. Questo processo si ripete finché il tempo di attesa
si avvicina a zero e la stazione è autorizzata a trasmettere, assicurando una
equa condivisione del canale senza collisioni
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia ZigBee
LIVELLO FISICO (PHY)
CSMA-CA per l’accesso al canale
Si ottengono i seguenti benefici:
– Nessuna attesa per un eventuale polling (l’attesa c’è per la liberazione
del canale ma ciò non rappresenta un problema, soprattutto in reti a
basso duty-cycle come nel caso di sensori e dispositivi di controllo)
– I nodi finali “parlano” solo quando hanno dati da trasmettere (il
protocollo IEEE 802.15.4 è stato messo a punto per garantire da 6 mesi a
2 anni di vita per le batterie di tipo alcalino)
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia ZigBee
I DISPOSITIVI IN UNA RETE ZIGBEE
Al fine di mantenere anche i costi di produzione bassi, lo standard IEEE
definisce solo due tipi di dispositivi: full function devices e reduced function
devices
–
Full function device (FFD)
·
Può funzionare in ogni topologia
·
Capacità coordinatore di rete
·
Capacità di parlare con ogni altro dispositivo
–
Reduced function device (RFD)
·
Limitato a funzionare in topologie di tipo star
·
Non può diventare un coordinatore di rete
·
Può parlare solo con un coordinatore
·
Di implementazione molto semplice (sono tipicamente dei sensori)
Una rete IEEE 802.15.4/ZigBee richiede almeno un full function device che assuma ul ruolo di coordinatore di rete,
mentre gli altri dispositivi possono essere RFD in modo da ridurre il costo del sistema.
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia ZigBee
LE TOPOLOGIE DI RETE
La rete è gestita da un dispositivo principale denominato
Coordinatore (PAN COORDINATOR)
Una volta che l’identificatore PAN è stato scelto, il PAN
Coordinator può permettere che altri dispositivi si uniscano alla
relativa rete, sia FFD che RFD
In questo caso la rete può arrivare a raggiungere 256
dispositivi collegati contemporaneamente al PAN Coordinator
In totale si possono comunque avere fino a 65536 dispositivi
all’interno di una rete
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SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia ZigBee
LE TOPOLOGIE DI RETE
Topologia Star
PAN
Coordinator
Full Function Device
Reduced Function
Device
Communications
Flow
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LE TOPOLOGIE DI RETE
Topologia Peer to Peer
Full function
device
Topologia
Cluster Tree
Communications
flow
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LE TOPOLOGIE DI RETE
ZigBee Coordinator (FFD)
ZigBee Router (FFD)
ZigBee End Device (RFD or FFD)
Mesh Link
Star Link
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IL LIVELLO MAC
Il livello MAC è responsabile delle seguenti funzioni:
Generazione dei Beacon se il dispositivo è un PAN coordinator
Sincronizzazione ai Beacon
Reggere l’associazione e la dissociazione di dispositivi alla PAN
Sicurezza
Implementazione del CSMA-CA per l’accesso al canale
Regolare e mantenere il meccanismo GTS (Guaranted Time
Slot)
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SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia ZigBee
IL LIVELLO MAC
Le strutture delle frame sono state definite in modo da rendere minima la
complessità, ma garantendo una trasmissione sufficientemente immune dal
rumore presente sul canale
L’IEEE 802.15.4 MAC definisce 4 tipi di frame:
·
Beacon frame, usata dal PAN coordinator per trasmettere dei beacons
·
Data frame, usata per tutti i trasferimenti di dati
·
Acknowledgment frame, usata per comunicare l’avvenuta ricezione con
successo di una frame
·
MAC command frame
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
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La tecnologia ZigBee
IL LIVELLO MAC
Acknowledgement Frame Format
• Fornisce un feedback attivo dal ricevitore, per far capire che il
pacchetto è stato trasmesso senza errori
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IL LIVELLO MAC
MAC Command Frame format
• Consente di implementare i meccanismi per il controllo/configurazione
da remoto dei vari nodi
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia ZigBee
IL LIVELLO MAC
Beacon Frame format
I Beacon vengono utilizzati per delimitare le superframe
Le superframe vengono utilizzate ad esempio per la sincronizzazione dei dispositivi con il
PAN coordinator durante la fase di creazione di una rete WPAN
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La tecnologia ZigBee
IL LIVELLO MAC
Le Superframe
E’ delimitata da due beacons frame, all’interno dei quali ci sono 16 slot
temporali
E’ inviata da un PAN coordinator
Quando viene inviata una Superframe l’accesso al canale è CSMA-CA slotted
(l’accesso al canale è in qualche modo “regolarizzato”)
Si possono avere due tipi di superframe:
1) Senza GTS (Guaranted Time Slots)
2) Con GTS (Guaranted Time Slots)
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SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia ZigBee
IL LIVELLO MAC
Le Superframe
Senza GTS
Ogni dispositivo che vuole comunicare durante il Contention Access Period
(CAP) tra due beacons, dovrà competere con gli altri dispositivi attraverso un
meccanismo slotted CSMA-CA
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SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
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IL LIVELLO MAC
Le Superframe
Con GTS
Per applicazioni a bassa latenza o richiedenti una specifica larghezza di
banda, il PAN coordinator può dedicare degli opportuni (fino a 7) time slots
detti GTS ai dispositivi che ne hanno bisogno
Durante il CFP il meccanismo di accesso al canale non è CSMA-CA
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La tecnologia ZigBee
ACCESSO AL CANALE IN RETI SENZA BEACON
Nelle reti “senza Beacon”, il meccanismo di accesso al canale
è del tipo unslotted CSMA-CA
Ogni volta che un dispositivo desidera trasmettere Data Frames o MAC Command
Frame, dovrà aspettare un intervallo di tempo casuale
Se il canale viene trovato libero, il dispositivo trasmetterà i relativi dati altrimenti il
dispositivo aspetterà un ulteriore intervallo di tempo casuale prima di provare ad
accedere nuovamente al canale
Gli Acknowledgement Frame possono invece essere trasmessi senza usare il
meccanismo CSMA-CA
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La tecnologia ZigBee
ACCESSO AL CANALE IN RETI CON BEACON
Nelle reti “con Beacon”, il meccanismo di accesso al canale è
del tipo slotted CSMA-CA, dove gli slot di backoff sono
allineati con l’inizio di trasmissione dei Beacon
Ogni volta che un dispositivo desidera trasmettere Data Frames durante il CAP,
dovrà aspettare un numero di slot di backoff casuale a partire dal successivo
Se il canale viene trovato occupato, seguendo questo backoff casuale, il
dispositivo dovrà aspettare un altro numero casuale di slot di backoff prima di
provare ad accedere nuovamente nel canale
Se viene trovato libero, il dispositivo potrà iniziare a trasmettere a partire dal
successivo slot
Gli Acknowledgement Frame e i Beacon Frame possono invece essere trasmessi
senza usare il meccanismo CSMA-CA
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IL LIVELLO MAC
Tipi di Trasferimento dati
Esistono 3 tipi di trasferimento dati:
1) Dispositivo
Coordinatore
2) Coordinatore
Dispositivo
3) Dispositivo
Dispositivo
1) e 2) in una rete di tipo star
1), 2), 3) in una rete Peer to Peer
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
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La tecnologia ZigBee
IL LIVELLO MAC
Trasferimento dati verso un coordinator con rete “beacon enabled”
Quando un dispositivo desidera trasferire i dati
ad un Coordinator in una rete “con beacon”, in
primo luogo ascolta il “Beacon” della rete e
quando viene trovato, il dispositivo si sincronizza
alla Superframe
A questo punto,il dispositivo trasmette il relativo
pacchetto dati al Coordinator, usando lo slotted
CSMA-CA
Il Coordinator, dopo la ricezione dei dati,
trasmette un pacchetto di conferma dell’avvenuta
ricezione (Acknowledgment) al dispositivo
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
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La tecnologia ZigBee
IL LIVELLO MAC
Trasferimento dati verso un coordinator con rete “beacon disabled”
Quando un dispositivo desidera
trasferire i dati al Coordinator in una
rete “senza beacon”, trasmette
semplicemente il pacchetto dati,
usando la tecnica unslotted CSMA-CA
Anche in questo caso,il Coordinator,
dopo la ricezione dei dati, trasmette
(opzionalmente) un pacchetto di
conferma dell’avvenuta ricezione
(Acknowledgment) al dispositivo
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
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La tecnologia ZigBee
IL LIVELLO MAC
Trasferimento dati da un coordinator con rete “beacon enabled”
Questo tipo di trasferimento è il meccanismo per trasferire i dati
da un Coordinator ad un dispositivo.
Quando un Coordinator desidera trasferire i dati ad un
dispositivo in una rete “con beacon”, indica nel “Beacon” della
rete che un messaggio dati è pronto per essere trasmesso
Il dispositivo che periodicamente ascolta i “Beacon”, trasmette
un MAC Command per richiedere i dati (Data Request) usando
lo slotted CSMA-CA
Il Coordinator non appena riceve questa richiesta,comunica al
dispositivo dell’avvenuta ricezione (Acknowledgment) e poi
inzia a spedire il messaggio dati usando lo slotted CSMA-CA
Il dispositivo completa il trasferimento inviando un messaggio di
avvenuta ricezione (Acknowledgment) del messaggio dati
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La tecnologia ZigBee
IL LIVELLO MAC
Trasferimento dati da un coordinator con rete “beacon disabled”
Quando un Coordinator desidera trasferire i dati ad un dispositivo in una
rete “senza beacon, memorizza i dati affinchè il dispositivo adatto
stabilisca il contatto per chiederne il trasferimento
Un dispositivo può stabilire il contatto trasmettendo un MAC Command
per chiedere i dati al relativo Coordinator, usando l’unslotted CSMA-CA
Il Coordinator conferma l’avvenuta ricezione della richiesta di dati
trasmettendo un messaggio (Acknowledgment)
Se i dati sono pronti per essere trasmessi, il Coordinator li trasmette al
dispositivo, usando l’unslotted CSMA-CA
Se i dati non sono pronti, il Coordinator trasmette un pacchetto di dati con
un Payload di lunghezza zero per indicare che non c’erano dati pronti da
spedire
Il dispositivo conferma poi l’avvenuta ricezione del pacchetto con
l’ennesimo Acknowledgment
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia ZigBee
IL LIVELLO MAC
Trasferimento dati da un coordinator con rete “beacon disabled”
In una rete peer-to-peer, ogni dispositivo può comunicare con ogni altro
dispositivo “visibile”
A tale scopo, i dispositivi che vogliono comunicare avranno necessità di
ricevere costantemente o sincronizzarsi con ogni altro dispositivo della rete
Nel primo caso, il dispositivo può trasmettere utilizzando un unslotted
CSMA-CA
Nel secondo caso, la sincronizzazione va ottenuta con metodi non descritti
nello standard attuale
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
SISTEMI DI MISURA DISTRIBUITI
La tecnologia ZigBee
…alcune considerazioni sul consumo di energia…
Il protocollo è stato sviluppato per favorire i dispositivi a pile, i quali
richiederanno un duty-cycle molto basso per ridurre il consumo di energia
Questi dispositivi passano la maggior parte della loro vita operativa in una
condizione di inattività (sleep), ascoltando periodicamente il canale a RF
per determinare se un messaggio è in corso
MC13192
Consumo di
corrente
Sleep 1 μA
Trasmissione 34 mA
Ricezione 37 mA
CC2420
Sleep 1 μA
Trasmissione 17.4 mA
Ricezione 19.7 mA
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CONFRONTO ZIGBEE-BLUETOOTH
CONSUMO DI POTENZA ISTANTANEA
I Transceivers 15.4 sono “simili” a quelli Bluetooth:
•802.15.4
– O-QPSK with shaping
– Max data rate 250kbps over the air
– 2Mchips/s over the air Direct Sequence Spread Spectrum (62.5ksps*32
spread)
– -92 dBm sensitivity nominal
•Bluetooth
– FSK
– Max data rate 720kbps over the air
– 1Msps over the air Frequency Hop Spread Spectrum (79 channels @ 1600
hps)
– -83 to -84 dBm sensitivity nominal
Il consumo di potenza sarebbe simile nei due casi se non fosse
per il differente protocollo adottato !!!
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La tecnologia ZigBee
CONFRONTO ZIGBEE-BLUETOOTH
Il Protocollo 15.4 Protocol è stato sviluppato con scopi molto differenti
da Bluetooth:
–802.15.4
•Duty cycle molto bassi, applicazioni con alimentazione a batteria e tempi di vita
molto lunghi
•Reti statiche e dinamiche, topologie cluster tree e star network structures con
potenzialmente un numero molto grande di nodi (>>65534), bassa latenza se
richiesto
•Capacità di rimanere in uno stato di inattività per lunghi periodi senza dover
comunicare con la rete
–Bluetooth
•Duty cycle medio, dispositivi con consumo abbastanza elevato
•Sostituzione dei mezzi di comunicazione wired per dispositivi che necessitano di
data rates non eccessivi ma con un elevato QoS e latenza molto bassa
•Reti Quasi-statiche con topologia star e con al massimo 7 dispositivi (in grado di
far parte di più reti contemporaneamente)
•Generalmente utilizzato in applicazioni dove il consumo di potenza è non fisso
(cuffie, cellulari) o per dispositivi alimentati dalla rete (stampanti)
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La tecnologia ZigBee
CONFRONTO ZIGBEE-BLUETOOTH
• Lo stack protocollare ZigBee può arrivare ad
occupare soli 32 KB (in Bluetooth fino a 250KB)
• ZigBee può raggiungere un Data Rate di 250 kbps,
assai più basso dei 723 kbps di Bluetooth
• Negli stati a basso consumo ZigBee consente di
ottenere consumi molto bassi (Sleep Mode ~ 1uA)
rispetto a Bluetooth (Park, Hold e Sniff Mode ~ 15mA)
LE TECNOLOGIE WIRELESS PER I
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La tecnologia ZigBee
CONFRONTO ZIGBEE-BLUETOOTH
Classificazione WLAN
Le reti wireless si classificano in base alla massima distanza raggiungibile con il collegamento radio
tra le varie unità del sistema (raggio d’azione o copertura) e agli usi a cui sono destinate.
I dispositivi per le reti Wlan operano all’interno delle bande di frequenza definite come ISM
(Industrial Scientific and Medical) utilizzando una modulazione a dispersione di spettro.
Le frequenze ISM sono suddivise in tre range differenti e sono state autorizzate dalla FCC nel 1980
per prodotti di rete wireless. (Inizialmente queste frequenze erano riservate al solo uso militare).
 900 MHz [902 – 928 MHZ]
 2,4 GHz [2,4 – 2,4835 GHz ] - IEEE 802.11b
 5,8 GHz [5,725 – 5,825 GHz] - EEE802.11a
A.A. 2008-2009
88
Classificazione WLAN
In particolare, si possono distinguere tre categorie:
 WPAN (Wireless Personal Area Network) definite come reti wireless individuali ossia, gruppi di
dispositivi differenti tra loro come telefonini, palmari, collegati per soddisfare le esigenze del singolo. Le
WPAN hanno una dimensione in scala con il corpo umano cioè, hanno dimensioni molto ridotte.
 WLAN (Wireless Local Area Network) sistema di comunicazione relativo ad una determinata area
locale in cui i vari dispositivi (PDA, palmtop, computer, stampanti,…) si scambiano i dati senza ricorrere
all’ausilio di cavi, introducendo in questo modo un maggior grado di mobilità e flessibilità. Gli utenti
accedono ad una Wlan mediante appositi adattatori: schede PCMCIA per notebook o PDA, schede PCI o
ISA per desktop o adattatori integrati direttamente nei dispositivi, chiamati anche wireless terminal
(WT). I wireless terminal inviano e ricevono informazioni attraverso un percorso via etere denominato
canale.
 WWAN (Wireless Wide Area Network): una rete di calcolatori non circoscritta a un ambiente o a una
città, nella quale è irrilevante la distanza tra i vari dispositivi, e che può estendersi anche a livello
planetario.
A.A. 2008-2009
89
Wireless LocalArea Network
Una Wireless LocalArea Network, è un’ infrastruttura di rete per trasmissioni di tipo radio,
costituita da dispositivi che basano il proprio funzionamento su protocolli specifici appartenenti
alla famiglia IEEE 802.11 (Institute of Electrical and Electronics Engineers).
Le reti wireless della famiglia 802.11 sono Sistemi di comunicazione in cui i segnali viaggiano
nell’aria utilizzando una tecnologia a Radio Frequenze (RF) per il livello fisico, piuttosto che una
tecnologia a raggi infrarossi (IrDA).
Una rete WLAN si compone di due dispositivi di base:
 WLAN card: più comunemente nota come scheda di rete, garantisce una comunicazione dati
trasparente tra sistema operativo e la rete
 Access Point: è l’equivalente wireless di un gateway. La sua funzione è quella di gestire traffico
dati tra la rete fissa e un gruppo di dispositivi wireless. Un AP ha un’area di copertura che va dai 50
e 200 metri e può gestire tra i 15 e i 250 utenti.
A.A. 2008-2009
90
Vantaggi WLAN
Le reti wireless coniugano i vantaggi del networking (condivisione di risorse, comunicazione,…) con
quelli delle tecnologie wireless (connettività senza fili, mobilità dell’utente,…).
Senza l’ingombro di cavi e la necessità di investire in costosi cablaggi, infatti, le reti wireless
costituiscono un mezzo straordinariamente flessibile ed economico per rispondere alle esigenze di
connettività su scala personale, locale e globale.
Tra i possibili vantaggi offerti da una Wlan, possiamo elencare:
 Libertà di movimento: gli utenti possono accedere ad informazioni condivise o comunicare con il
mondo esterno anche quando ci si sposta all’interno dell’area di copertura.
 Connettività senza fili: si eliminano i fastidiosi grovigli di cavi e le postazioni di lavoro non sono
vincolate alla presenza di un punto di accesso fisico alla rete.
A.A. 2008-2009
91
Vantaggi WLAN
 Installazione facile, veloce e flessibile: non è necessario stendere cavi attraverso pareti, soffitti e
canaline antiestetiche. Questo rende le Wlan particolarmente adatte per installazioni “temporanee”
(mostre, fiere, congressi, situazioni di emergenza, gruppi di lavoro).
 Costi di gestione ridotti: l’investimento iniziale richiesto per l’hardware delle Wlan può essere più
alto del costo dell’hardware delle LAN cablate, ma le spese di gestione e manutenzione complessive
sono in genere più basse.
 Espandibilità: è possibile aggiungere in ogni momento un nuovo utente senza la necessità di un
punto di accesso fisico alla rete, semplicemente dotandolo di una scheda di rete wireless. Infatti, i
dispositivi si connettono automaticamente ogni volta che essi vengono attivati all’interno dell’area di
copertura.
A.A. 2008-2009
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Wireless Local Area Network Standards
Questa famiglia di protocolli definisce uno standard globale per reti operanti in una banda libera,
ossia senza alcun vincolo burocratico, senza la necessità di utilizzare alcuna licenza, includendo vari
protocolli dedicati alla trasmissione delle informazioni.
802.11a specifica per il livello fisico l’uso della tecnica di modulazione OFDM (Orthogonal Frequency
Division Multiplexing) Utilizza la banda a 5GHz, con velocità massime di trasmissione pari a 54Mbps.
802.11b e 802.11g Modificano lo standard IEEE 802.11 a 2,4 GHZ (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum
) per avere un più elevato data rate (fino a 11 Mbps 802.11b e fino a 54Mbps 802.11g) utilizzano lo
spettro di frequenze (banda ISM) nell'intorno dei 2.4 Ghz, banda regolarmente assegnata dal piano di
ripartizione nazionale (ed internazionale) ad altro servizio.
802.11e definisce la Quality of Service (QoS) e quindi la possibilità di trasmettere voce (VoIP) e video.
Le specifiche di tale standard riguardano il livello MAC 802.11
A.A. 2008-2009
93
Wireless LocalArea Network Standards
802.11f definisce lo IAPP (Inter Access Point Protocol). Riguarda la possibilità che gli Access
Point effettuino il discovering di altri Access Point con una semplificazione del management degli
stessi
802.11i si riferisce all’utilizzo di 802.1x e dell’algoritmo di cifratura AES
802.11h incentrato sulla gestione della potenza e l'utilizzo dello spettro, regola l’utilizzo di un
dispositivo operante secondo l’802.11a e utilizza la banda dei 5GHz in Europa banda già occupata
dai radar di radiolocalizzazione
802.11j regola l’utilizzo nella banda dei 4,9GHz e nella banda dei 5GHz in Giappone
802.11d definisce le regole di utilizzo della modulazione FHSS nei diversi paesi
A.A. 2008-2009
94
Aspetti radio: problematiche trasmissive: Multipath e altri disturbi
•
Uno dei grandi problemi nella trasmissione a Radio Frequenza è rappresentato dal
fenomeno delle Distorsioni dovuto ai cammini multipli.
•
Questo tipo di interferenze si presentano quando il segnale RF trasmesso compie diversi
percorsi dal ricevitore al trasmettitore. Questo succede quando ci sono grandi quantità di
metallo o altre superfici che riflettono le onde RF.
•
Le distorsioni e l’attenuazione del segnale provocate da elementi architettonici, dal
mobilio e da altri apparati elettronici.
•
La potenza e la sensibilità delle interfacce Wi-Fi di cui le stazioni sono dotate.
•
L’elevata concentrazione di stazioni introduce un problema di prestazioni e di congestione
degli AP.
A.A. 2008-2009
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Aspetti radio: Tecnologia Spread-Spectrum DSSS, FHSS
DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum
Tecnologia di trasmissione utilizzata in ambito militare per le sue caratteristiche di resistenza
alle interferenze radio rispetto alle trasmissioni a banda stretta (Narrow Band); oggi viene
utilizzata nella maggior parte delle trasmissioni RF. Garantisce una velocità di trasmissione fino a
11 Mbps
FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum
Modulazione del segnale utile utilizzando una portante in banda stretta che varia (hop) la
propria frequenza (e il canale trasmissivo) ad intervalli di tempo pre-determinati. Il segnale dati
viene disperso su un’ampia gamma di frequenze in funzione del tempo. Con una tecnica FHSS
la massima velocità raggiungibile è pari a 2 Mbps
A.A. 2008-2009
96
Standard
•
IEEE 802.11 – Standard originario per le WLAN che specifica data rate pari a 1 Mpbs e 2 Mbps utilizzando
la banda di frequenza a 2,4 GHz e le tecnologie di trasmissione all’infrarosso.
•
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum )
è una tecnica di trasmissione radio usata per aumentare la larghezza di banda di un segnale; consiste nel
variare la frequenza di trasmissione a intervalli regolari
A.A. 2008-2009
97
FHSS
Le principali capacità della FHSS:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
un certo grado di segretezza della trasmissione;
una buona immunità ai disturbi, soprattutto da parte di altre trasmissioni interferenti.
Alta potenza trasmessa su una piccola banda
La frequenza del segnale cambia diverse volte al secondo
Consente a più utenti di condividere lo stesso insieme di frequenze cambiando automaticamente la
frequenza di trasmissione
Forte resistenza alle interferenze e riduzione delle interferenze tra canali di trasmissione
Maggiore stabilità di connessione
La velocità è limitata a 2 Mbps
Più costoso del DSSS
A.A. 2008-2009
98
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum ).
•
•
•
•
•
•
•
•
Bassa potenza di emissione, il segnale è espanso in una
ampia banda
Utilizza le stesse frequenze in modo costante
Minore resistenza alle interferenze
Migliore ricezione
Integrità del segnale
Maggiore robustezza, distribuendo il segnale attraverso
l'intero spettro di frequenze
Velocità a 11 Mbps (interoperabile con 802.11b
Apparati più economici di quelli FHSS
A.A. 2008-2009
99
Protocollo 802.11
Un dBm è una unità standard per la
misurazione dei livelli di potenza in
relazione ad un segnale di
riferimento 1 milliwatt
- 10 dBm indica una perdita
+ 20 dBm indica un guadagno.
EIRP - Equivalent isotropically
radiated power
A.A. 2008-2009
100
OFDM
•
Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM), tra le tecnologie per la telecomunicazione, è un
tipo di modulazione di tipo multi-portante, che utilizza un numero elevato di sottoportanti ortogonali tra
di loro.
•
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) è, in breve, una tecnica innovativa per le
trasmissioni radio: non è propriamente una modulazione, ma uno schema di codifica o di trasporto.
Questa tecnica utilizza diversi sotto-canali equispaziati all'interno di uno stesso canale di
trasmissione, entro i quali viene usata una sottoportante opportunamente modulata per trasportare una
porzione dell'informazione complessiva. Tutte le sottoportanti sono fra loro ortogonali (indipendenti), e
ciò permette di "stiparne" diverse in uno stesso canale, anche molto vicine, poiché non interferiscono le
une con le altre. Ciò aumenta sia l'efficienza del canale trasmissivo, sia la banda complessiva (quantità
di informazione) che il canale può trasportare.
•
L'idea alla base del funzionamento della codifica OFDM è di sostituire ad un segnale trasmesso su
singola portante in un canale a larga banda, tanti piccoli segnali ravvicinati su portanti multiple (anche
fino a diverse migliaia nei ponti radio per il broadcast video): in pratica si sommano migliaia di
modulatori con frequenze portanti spostate. Per le applicazioni 802.11 a/g, si usano invece 52
sottoportanti, 48 delle quali sono usate per il trasporto dei dati, e le rimanenti 4 per le segnalazioni.
•
Il segnale è dunque distribuito tra moltissime portanti, che formano altrettanti canali, in una banda
strettissima e quindi a bassa velocità, equispaziati e parzialmente sovrapposti in frequenza. Ciò è
possibile poiché gli spettri sono volutamente ortogonali fra loro, OFDM (Orthogonal FDM). L'OFDM
offre un numero di canali e data rate maggiori rispetto alla precedente tecnologia spread spectrum
(utilizzata nel protocollo 802.11b). La disponibilità di canali è significativa perché più canali liberi si
hanno,
maggiore
scalabilità
guadagna
la
rete
wireless.
A.A. 2008-2009
101
Il sistema OFDM
è robusto verso fading selettivi (vengono attenuate di più alcune frequenze nella banda
di interesse), in quanto le portanti a banda stretta occupano una piccola porzione dello
spettro, dove la risposta del canale è piatta, non distorcente.
Cause del fading
fading piatto: presenza di ostacoli o di banchi di pioggia
fading selettivo: multipath.
A.A. 2008-2009
102
Multipath
In ambienti complessi tra l'antenna trasmittente e quella ricevente di un sistema di
comunicazione si possono instaurare più cammini per il segnale: un cammino diretto e uno o più
cammini riflessi, ognuno con una sua ampiezza ed un suo ritardo, che in generale variano con il
tempo specialmente per i sistemi mobili (vedi figura). I segnali provenienti dai vari cammini si
sommano, ma se il cammino dà luogo ad un ritardo pari a mezza lunghezza d'onda si ha
interferenza distruttiva e il segnale ricevuto subisce un'attenuazione molto forte.
A.A. 2008-2009
103
COFDM
•
Benefici aggiuntivi della COFDM rispetto all'OFDM
Quando l'OFDM è usata unitamente a sofisticate tecniche di codifica di canale, viene detta Coded
Orthogonal Frequency Division Modulation (COFDM). Sebbene sia molto complessa, la
modulazione COFDM è molto più performante della semplice OFDM anche in condizioni
particolarmente difficili. Combinando le tecniche OFDM con codici a correzione d'errore,
equalizzazione adattativa e modulazione riconfigurabile, la COFDM ha eccellenti proprietà di
resistenza ai cammini multipli e fornisce ottime prestazioni anche su link con scarsa visibilità,
permettendo un uso anche per la copertura in aree urbane; dunque è un'ottima tecnologia non solo
per i collegamenti punto-punto privati, ma anche per la distribuzione di segnale multipunto.
•
Viene impiegata per collegamenti outdoor
• vantaggi
connettività mantenendo buone prestazioni
stabilità del segnale
banda costante o elevata, ecc..
A.A. 2008-2009
104
Lo standard 802.11: terminologia
Pc-card 1
Pc-card 2
Stazione 1
AP
Stazione 2
I dispositivi wireless comunicano tra loro autonomamente o anche passando attraverso un
dispositivo intermedio: Access Point AP
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105
Architetture di rete
Infrastructure Basic Service Set (rete Infrastructure): le comunicazioni tra i diversi client wireless
(WT, Wireless Terminal) passano attraverso un Access Point, secondo una struttura a stella.
L’AP coordina la trasmissione tra i clients e, comunemente svolge anche la funzione di ponte tra
LAN wireless, eventuali reti fisse e la rete telefonica pubblica (quindi Internet).
Gli AP possono essere implementati in hardware (esistono dei dispositivi dedicati) oppure in
software appoggiandosi per esempio ad un PC dotato sia dell’interfaccia wireless sia di una scheda
ethernet.
A.A. 2008-2009
106
Architetture di rete
I WT possono essere qualsiasi tipo di dispositivo: laptop, palmari, PDA, cellulari o, apparecchiature
che si interfacciano con lo standard IEEE 802.11, o sistemi consumer basati su tecnologia Bluetooth
(usata soprattutto per le reti WPAN) cioè, una tecnologia di interconnessione wireless low-power, in
grado di essere implementata su una gamma molto ampia di dispositivi elettronici perché richiede
una minima energia di alimentazione e viene gestita attraverso chip molto più economici.
Infrastructure mode
con AP in funzione di
bridge
A.A. 2008-2009
107
Architetture di rete
Independent Basic Service Set (rete adhoc): più client wireless in comunicazione tra loro. La
struttura della rete é creata esclusivamente dai wireless terminal, senza la presenza di AP.
Ciascun WT, quindi, comunica direttamente con gli altri (peer-to-peer) mediante l’adattatore
wireless di cui è equipaggiato.
Questa tipologia di rete è utile in piccoli ambienti indoor ma ciò non toglie che possa essere usata
per particolari esigenze in ambienti outdoor.
In entrambi i casi non è presente la connessioni a reti fisse.
A.A. 2008-2009
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Architetture di rete
Basic Service Set Identifier (BSSID): valore esadecimale di lunghezza pari a 48 bit
In modalità Infrastructure esso è il MAC Address di un Access Point
In modalità ad-hoc è il valore random generato dal primo client wireless
Extended Service Set (ESS): due o più Infrastructure Basic Service Set che condividono lo stesso
SSID (Service Set Identifier) per avere la possibilità di roaming
SSID: valore alfanumerico di lunghezza compresa tra 2 e 32 con cui configurare l’AP e tutti i
wireless terminal che vogliono connettersi: un WT non configurato con il SSID (non autorizzato)
non riuscirà a comunicare con l’AP e quindi con gli altri WT.
La configurazione di un SSID rappresenta un primo livello di sicurezza nelle reti wireless,
nonostante sia una tecnica, molto grossolana, permette di far coesistere più Wlan nello stesso
ambiente.
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Wireless LocalArea Network Standards
Modello
OSI
Modello
IEEE 802
IEEE 802 Standard
LLC
IEEE 802
Livello
DataLink
Livello
Fisico
MAC
Livello
Fisico
CSMA/CD
802.3
Fisico
Token Bus
802.11 MAC
802.4
Fisico
802.11 Fisico
Modalità di accesso
Interfaccia con il
mezzo trasmissivo
Definisce il livello fisico e il livello MAC con riferimento al modello protocollare OSI.
Può essere comparato allo standard Ethernet IEEE 802.3 per le reti wired Lan.
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110
Lo standard 802.11: il livello fisico
•
•
Il livello Fisico è responsabile dell’interfacciamento del sistema di comunicazione con il mezzo
fisico sul quale viaggiano le informazioni.
Fornisce un servizio di trasmissione e ricezione per gli strati di livello superiore.
Modello protocollare Osi
Applicazione
Presentazione
•
Lo standard IEEE 802.11 supporta 3 diversi
livelli fisici basati su diverse tecnologie di
trasmissione:
1.
DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum
2.
FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum
3.
IR – Infrared
Sessione
Trasporto
Rete
Data-Link
Fisico
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Lo standard 802.11: il livello MAC
Il sottolivello MAC (Media Access Control) dello strato Data Link gestisce l’accesso al mezzo fisico e
garantisce l’affidabilità della comunicazione in termini di:
•
Modalità di accesso al mezzo trasmissivo.
•
Mobilità e Sincronizzazione delle stazioni.
•
Frammentazione delle unità dati.
•
Sicurezza e Autenticazione.
•
Gestione della Potenza trasmessa.
Il protocollo IEEE 802.11 prevede due modalità per la gestione degli accessi al mezzo fisico:
1.
Modalità DCF (Distributed Coordination Function) o modalità di accesso distribuita di base .
1.
Modalità PCF (Point Coordination Function) modalità di accesso centralizzata opzionale
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112
DCF (Distributed Coordination Function)
•
Problema:
Una stazione, temporaneamente coperta, può non rilevare trasmissioni in atto e quindi interferire
conesse
•
Soluzione: CSMA/CA
 CS (Carrier Sense) – ascolto del canale prima di trasmettere
 MA (Multiple Access) – consente l’accesso multiplo sullo stesso canale
 CA (Collision Avoidance) – meccanismo che cerca di evitare le collisioni
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Il problema del terminale nascosto : il meccanismo RTS/CTS
•
Difficoltà nel rilevare le collisioni negli ambienti radio. Mentre si trasmette non è possibile
anche rilevare le collisioni  non si può utilizzare la tecnica CSMA/CD (mentre trasmette
ascolta).
•
Nelle reti wireless è possibile il verificarsi del problema definito come Hidden Node o
Stazione Nascosta.
•
Non tutte le stazioni che appartengono alla stessa LAN possono “sentire” le altre, con il
rischio che si verifichino collisioni.
AP1
STA1
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STA2
STA3
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Il problema del terminale nascosto : il meccanismo RTS/CTS
1.
La stazione sorgente invia un
pacchetto RTS (Request to Send)
contenente l’indirizzo mittente, quello
destinatario e la durata della
comunicazione.
2.
Il destinatario invia in risposta un
pacchetto CTS (Clear to Send) dopo
aver atteso un determinato tempo.
3.
La sorgente invia il pacchetto DATA
dopo aver atteso ancora un intervallo
di tempo.
4.
Il destinatario dopo aver ricevuto il
pacchetto dati invia un pacchetto di
riscontro ACK.
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Sorgente
Destinazione
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IEEE 802.11: livello MAC
DISF
RTS
Source
Data
SISF
SISF
tempo
CTS
Destination
SISF
ACK
Contesa del canale
Prenotazione del canale
Trasmissione dei dati
Conferma della
prenotazione
Conferma dell’avvenuta
ricezione
SISF: Short Inter-Frame Space (tra trasmissioni dello stesso dialogo -- e.g. tra dati e ACK)
DIFS: Distributed IFS (tempo lasciato dalla stazione prima di tentare una trasmissione)
RTS/CTS: realizza la Collisione Avoidance- l’eventuale sovrapposizione di un’altra trasmissione
avviene sul RTS/CTS e non sul dato
ACK: permette di rilevare errori dovuti a cattiva ricezione o a interferenze
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Scanning
Quando un client attiva la sua connessione wireless viene eseguito un processo di discovery della
rete chiamato scanning.
Lo scanning utilizza tre tipi di frame:
 Beacon (frame inviati da AP/client client/client per sincronizzare ed organizzare le
comunicazioni Basic Service Set)
 Probe Request (frame inviato nel processo di “active scanning” contenente l’SSID -(Service Set
IDentifier))
 Probe Response (gli AP rispondono al Probe request se gli SSID è giusto)
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Point Coordination Function
•
•
•
•
Assegnazione centralizzata: Senza contesa; il nodo coordinatore assegna il canale ad un solo
nodo per volta
Necessità di un nodo che svolga funzioni di coordinatore (tipicamente l’AP)
Durante particolari intervalli di tempo detti CFP (Contention Free Period) il PC invia con disciplina
round robin messaggi di poll ai vari utenti registrati
Un nodo può trasmettere solo a fronte della ricezione di un poll
Beacom
PISF
Station
Data
DCF
Poin Coordination
PISF
PCF
Contention-Free
Period
DCF
PCF
DCF
Contention-Free
Period
• PC attende per un Priority Inter Frame Space (PIFS = 25 μs) e trasmette un pacchetto di
Beacon per dare inizio al Contention Free Period
• Attraverso un meccanismo di polling, l’AP abilita le varie stazioni alla trasmissione
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118
Power Management
•
La gestione del consumo di energia riveste un ruolo di fondamentale importanza in uno standard di
wireless networking progettato per essere utilizzato prevalentemente con equipaggiamento
alimentato a batterie.
•
Per questo motivo le specifiche 802.11 prevedono un complesso meccanismo di power saving che, se
attivato, permette alle stazioni di entrare in modalità di risparmio energetico (Power Save mode) per
lunghi periodi senza perdere informazioni.
•
La procedura implementata varia a seconda che la rete sia di tipo ad hoc o infrastructure.
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Gestione della potenza - Rete infrastructure in modalità DCF

Per entrare in modalità PS ⇒ informare l’access point settando i bit di Power Management nel campo
Control di un pacchetto trasmesso.

AP ⇒ aggiunge l’identificativo della stazione in un apposito registro in cui sono elencate tutte le stazioni
del BSS che si trovano in modalità PS.

I pacchetti destinati a queste stazioni sono memorizzati

AP trasmette ad intervalli prefissati dei messaggi di beacon contenenti la lista TIM (Traffic Indication Map)
delle stazioni che hanno pacchetti in attesa.

Le stazioni in modalità PS sono programmate per riattivarsi ad intervalli regolari (Listen Interval) in
corrispondenza della trasmissione di un beacon.

Se una stazione, leggendo un TIM, apprende che ci sono pacchetti in coda all’AP ad essa destinati, avvia
la procedura di contesa del canale e invia all’AP un PS-poll frame.

Quando AP lo riceve, trasmette al terminale i pacchetti in attesa.

Ad intervalli prefissati i beacon trasportano un particolare tipo di TIM detto DTIM (Delivery Traffic
Information Map).

Se l’AP ha frame multicast o broadcast da trasmettere, lo fa immediatamente dopo l’invio di un DTIM.
Le stazioni che sono interessate alla ricezione di questo tipo di pacchetti possono riattivarsi in
corrispondenza dei beacon DTIM e ricevere gli eventuali datagrammi multicast/broadcast
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Gestione della potenza - Rete infrastructure in modalità PCF
•
In una rete infrastructure in modalità PCF la procedura di Power Saving è analoga a quella
descritta con la differenza che le stazioni in modalità PS si “risvegliano” ad ogni DTIM e
restano attive se c’è del traffico multicast/broadcast da ricevere o se sono identificate nel
TIM.
•
Le stazioni possono quindi tornare in modalità di risparmio energetico quando vengono
informate dall’AP che il traffico a loro destinato è terminato
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WMM: Wireless MultiMedia
 WMM certificazione rilasciata dalla Wi-FI Alliance per accelerare l’adozione dello standard
IEEE 802.11e (già ratificato!)
 Tutti i vendor che volevano implementare “features” legate alla QoS dovevano essere
“compliant” con la WMM
 Tutti i dispositivi “compliant” con WMM possono passare allo standard 802.11e con un
aggiornamento del firmware
Il WMM è stato “pensato” già tenendo d’occhio lo IEEE 802.11e
IEEE 802.11e definisce otto livelli di priorità, laddove WMM ne specifica 4
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WMM: Wireless MultiMedia
I livelli di priorità del WMM sono 4:
PRIORITA’ VOCE – Corrisponde ai livelli 6 o 7 del IEEE 802.11e
PRIORITA’ VIDEO – Corrisponde ai livelli 4 o 5 di IEEE 802.11e
PRIORITA’ “BEST EFFORT” – Corrisponde ai livelli 0 o 3 di IEEE 802.11e
PRIORITA’ BACKGROUND – Corrisponde ai livelli 1 o 2 di IEEE 802.11e
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Frame Wireless
I frame wireless utilizzano, a differenza del frame 802.3 Ethernet, un MAC header differente.
La massima lunghezza è pari a 2.504 bytes (max lunghezza del frame Ethernet pari a 1.518 bytes)
I frame (operanti secondo lo standard 802.11) sono stati progettati in modo da essere facilmente
convertibili in frame Ethernet
IEEE 802.11 definisce tre tipi differenti di frame:
 Control frame
 Management frame
 Data frame
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Control Frame
Utilizzati per effettuare il controllo dei data frame
Esempi di control frame:
 Request To Send (RTS)
 Clear To Send (CTS)
 Acknoledgment (ACK)
 Power Save Poll (PS Poll)
I Data Frame
Sono utilizzati per il trasporto dati
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Management Frame
Utilizzati per l’associazione o la disociazione ad un Basic Service Set
Esempi di management frame sono:
 Association Request
 Association Response
 Reassociation Request
 Reassociation Response
 Authentication
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Architetture di rete : Access Point
Per allestire una rete wireless è necessario disporre di un apparato centrale (Access Point), e schede
di rete wireless da inserire sulle singole stazioni di lavoro.
L’Access Point è un trasmettitore radio su frequenza di 2.4MHz, in grado comunicare con tutti gli
adattatori di rete che si trovano nella sua zona di copertura.
Di solito è collegato alla rete locale, con una porta RJ-45, per fare da ponte (bridge) tra la rete wireless
e la rete cablata. La potenza di trasmissione è limitata, per legge, a 10 mvolt.
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Access Point
Features di un Access Point:
 Antenne fisse o removibili
 Diversità spaziale delle antenne
 Schede radio removibili
 Potenza di uscita regolabile
 Diversi tipi di connettività al cablato
(Ethernet, TokenRing oppure fibra)
 Caratteristiche legate alla security
 Caratteristiche di management
(Telnet, seriale, SSH, HTTP….)
 Standard IEEE supportati
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