Standard per le Comunicazione Wireless, in questa lezione esamineremo alcuni standard che utilizzano come canale fisico l’etere per la trasmissione dei dati e per il collegamento di vari dispositivi. Una lezione abbastanza impegnativa, quindi da leggere con la dovuta attenzione.

Una 802.11 LAN è basata su una architettura cellulare, così come accade nei sistemi di telefonia GSM. Ciascuna cella (chiamata Basic Service Set o BSS) è controllata da una stazione base denominata Access Point (AP). In una tipica wireless LAN esistono vari Access Point interconnessi tra di loro tramite una rete di distribuzione chiamata Distribution System o DS. È anche possibile creare una rete wireless diretta fra due calcolatori senza Access Point; in tal modo queste rete viene detta ad-hoc. Il complesso delle diverse wireless LAN interconnesse comprendenti diverse celle e i relativi Access Point e il sistema di distribuzione viene chiamato Extended Service Set o ESS. È possibile collegare assieme una rete 802.11 con un’altra qualsiasi rete 802 attraverso una sorta di bridge detto Portal.

Livello fisico

Il livello fisico di questo protocollo definisce 3 tipi di tecnologie per la trasmissione:
Frequence Hopping Spread Spectrum (FHSS) nella banda ISM 2,4 GHz
Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) nella banda ISM 2,4 GHz
Trasmissione infrarossa

I sistemi DSSS in particolare sono simili a quelli adoperati per i satelliti GPS e per alcuni tipi di telefoni cellulari. Ogni bit di informazione viene combinato mediante una funzione XOR con una sequenza numerica Pseudo Random (PN). La sequenza PN provoca un allargamento (spread) della banda passante del segnale risultante con una conseguente riduzione del picco di potenza e una maggiore immunità ai disturbi.

La larghezza di banda del canale per i sistemi DSSS nello standard 802.11b è di circa 20 MHz. Di conseguenza la banda ISM verrà distribuita lungo 3 canali non sovrapposti, come indica la figura seguente.

Per quanto riguarda invece lo standard 802.11a, viene adoperata una banda passante di 300 MHz all’interno della banda dei 5 GHz U-NII.

Esso adopera una modulazione di tipo OFDM che mediante un nuovo schema di codifica migliora le prestazioni dello Spread Spectrum in termini di disponibilità dei canali e velocità di trasmissione. Vengono definiti 8 canali non sovrapposti da 20 MHz. Ciascuno di questi canali è a sua volta suddiviso in 52 subcarriers ciascuno di circa 300 KHz.

All’interno della 802.11a è definito un meccanismo per controllare e prevenire la perdita dei dati. La tecnica è la FEC (Forward Error Correction), la quale consiste nell’inviare una copia secondaria assieme all’informazione primaria. Se parte dell’informazione primaria è danneggiata, mediante algoritmi sofisticati è possibile recuperare l’informazione corretta a partire dalla copia secondaria; in questo modo si elimina la ritrasmissione dell’informazione.
Un altro meccanismo per garantire l’integrità della trasmissione è il Delay Spread. Quando un segnale radio lascia l’antenna trasmittente, e quindi viene irradiato, può capitare che incontri una superficie riflettente che lo riflette all’antenna stessa causando il cosiddetto fenomeno di riflessione che di fatto provoca una degradazione delle prestazioni. Mediante il Delay Spread viene introdotto un delay tra due trasmissioni successive, in questo modo vengono ridotte le interferenze multipath.

Livello MAC

A livello Data Link (e precisamente a livello MAC), il protocollo 802.11 adopera il sistema CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance):
La stazione che vuole trasmettere ascolta il mezzo;
Se il mezzo è occupato, allora sposta la trasmissione in un altro momento, mentre se il mezzo è libero, trasmette subito.
Su Ethernet esiste il CSMA-CD, che riesce, grazie alla trasmissione full-duplex, a rilevare gli errori. In un ambiente wireless non si può fare l’ipotesi che tutte le stazioni si ascoltino fra loro, perché anche se il trasmettitore sente libero il mezzo intorno a se, non è detto che intorno al ricevitore il mezzo sia altrettanto libero. Per ridurre la probabilità che due stazioni collidano, lo standard definisce un meccanismo di Virtual Carrier Sense. La stazione che vuole trasmettere, prima invia un piccola pacchetot in broadcast, chiamato RTS (Request To Send), che include informazioni sulla sorgente, sulla destinazione e sulla durata della transazione seguente. La stazione che deve ricevere risponde (se il mezzo è libero) con un pacchetto broadcast di controllo chiamato CTS (Clear To Send) che include la stessa informazione circa la durata della trasmissione.
Tutte le stazioni che ricevono i pacchetti RTS e CTS modificano un indicatore Virtual Carrier Sense (chiamato Network Allocation Vector (NAV)) per la durata indicata ed utilizzano questa informazione insieme con il Phisical Carrier Sense al momento in cui vanno ad effettuare la rilevazione di occupazione del mezzo.

Tipicamente i protocolli per reti locali utilizzano pacchetti aventi dimensioni di diverse centinaia di bytes. La ragione principale che spinge all’utilizzo di pacchetti di dimensioni minori in un contesto wireless LAN è che a causa della elevata Bit Error Rate di un collegamento radio, la probabilità che un pacchetto sia corrotto durante la fase di trasmissione aumenta all’aumentare della dimensione del pacchetto. In questo modo è stato introdotto un meccanismo per la frammentazione e il riassemblaggio a livello MAC.

Exponential Backoff Algorithm

È un metodo ben noto per risolvere il contenzioso tra differenti stazioni che vogliono accedere contemporaneamente al mezzo trasmissivo. Il metodo richiede che ciascuna stazione scelga un numero casuale compreso tra 0 ed un dato numero e aspetti per questo numero di slot prima di accedere al mezzo, effettuando comunque il controllo sulla portante per vedere se qualche altra stazione ha acceduto al mezzo in precedenza. Back off esponenziale ha il seguente significato: ogni volta che la stazione sceglie uno slot per la trasmissione e si verifica una collisione, sarà esponenzialmente aumentato il massimo valore per la selezione casuale dello slot di trasmissione. L’algoritmo viene eseguito nei seguenti casi:
Quando la stazione testa il mezzo prima della prima trasmissione del pacchetto e il mezzo è occupato.
Dopo ciascuna ritrasmissione.
Dopo una trasmissione che ha avuto successo.

Metodi di accesso, autenticazione e associazione ad una BSS

Quando una stazione vuole accedere ad una esistente BSS, ha bisogno di acquisire la sincronizzazione relativa alle informazioni dell’Access Point e lo può fare nei seguenti modi:

Passive Scanning: in questo caso la stazione aspetta di ricevere un Beacon Frame dall’Access Point. Il Beacon è un frame periodicamente inviato dall’Access Point contenente l’informazione relativa al sincronismo di trasmissione dei dati.

Active Scanning: in questo caso la stazione tenta di localizzare un Access Point attraverso la trasmissione di un Probe Request Frame e attende che un Access Point risponda con un Frame Probe Response.

Una volta che una stazione ha localizzato un Access Point e ha deciso di unirsi alla corrispondente BSS, viene eseguito il Processo di Autenticazione. In questa fase la stazione e l’Access Point effettuano uno scambio di informazioni in modo da verificare la relativa conoscenza di una data password.
Il Beacon Frame viene inviato periodicamente dall’Access Point per mantenere la sincronizzazione.
Così come succede per la telefonia mobile, anche un nodo che si trova dentro una particolare BSS può spostarsi dentro il raggio d’azione di un’altra senza perdere la connessione con al rete. In questo caso però il roaming deve avvenire tra la trasmissione di un pacchetto e quella del successivo.

Tipi e struttura delle Frame

Ci sono 3 tipi di frame:
Data Frame
Control Frame (RTS, CTS, ACK)
Management Frame (Beacon Frame)

Preambolo:
Synch: Sincronizzazione.
SFD: Delimitatore di inizio frame.
PLCP Header:
PLCP_PDU_Lenght Word: Lunghezza del pacchetto.
PLCP Signaling Field: Velocità di trasmissione.
Header Error Check Field: Rilevazione d’errore.

MAC Data:
Protocol Version
Type e Subtype: Tipo e sottotipo della frame.
ToDS: Frame destinata ad una stazione collegata al DS.
FromDS: Frame ricevuta dal DS.
More Fragments: Più frammenti appartengono allo stesso frame.
Retry: Ritrasmissione di un frammento precedentemente trasmesso.
Power Management
More Data: Molti frame memorizzati e indirizzati a questa stazione.
Address Field: Inidirizzi di destinazione e sorgente della frame.
Sequence Control: Rappresenta l’ordine di differenti frammenti che appartengono allo stesso frame e controlla la duplicazione dei pacchetti.
CRC:
Campo per il controllo degli errori.

Bluetooth
Bluethoot è una interfaccia wireless a corto raggio per il trasferimento di voce e dati punto-multipunto, fra dispositivi portatili. Il range nominale varia da 10 cm a 10 m ma può essere esteso a 100 m aumentando la potenza di trasmissione. Stampanti, pc, fax, telefoni cellulari e virtualmente ogni altro tipo di dispositivo digitale può far parte del sistema bluetooth per formare dei gruppi che sostituiscono i cablaggi.
Il sistema è capace di supportare una connettività peer-to-peer operando con una struttura ad-hoc, presenta una elevata immunità ai disturbi generati da altri dispositivi ed ha un basso costo.

Definizioni
Piconet: Collezione di dispositivi (finoo a 8) connessi attraverso Bluetooth in modo da formare uan rete ad-hoc. Tutti gli host della piconet sono sincronizzati.
Scatternet: 2 o più piconet indipendenti e non sincronizzate che comunicano l’un l’altra.
Master unit: è il dispositivo che in una piconet fornisce il clock e la sequenza di hopping.
Slave unit: tutti i dispositivi della piconet che non sono il master (fino a 7 unità attive per ogni master).

Interfaccia wireless
Opera nella banda Industrial-Scientific-Medical (ISM) a 2.45 GHz. Utilizza la modalità Frequency-hopping spread spectrum (FHSS) e il Time Division Duplex (TDD), in cui ogni slot consente di trasmettere un solo pacchetto. Il canale trasmissivo fa uso di 79 canali da 1 MHz ugualmente spaziati. Il bit rate di trasmissione/ricezione è 1 Mb/s. Vengono infine utilizzati 2 livelli di potenza: 0dBm per 10 m e 20dBm per 100 m. Per questo motivo 2 stazioni vicine abbassano la potenza di trasmissione, mentre 2 stazioni lontane, la aumentano.

Struttura del Pacchetto

Access code: Identificazione del pacchetto e sincronizzazione col master.
Header: Slave address, packet type, flow control bits, ARQ bit, sequence number.
Payload: Dati.

Architettura

RF e Baseband: Controllano la sincronizzazione fra le varie unità e la corretta sequenza di hopping, assegnano gli identificatori, curano la ritrasmissione dei pacchetti errati e la rivelazione/recupero degli errori.
Link Manager Protocol (LMP): Instaurazione della connessione, generazione, scambio e controllo del link e delle chiavi criptate per l’autenticazione e la criptazione dei dati, spedizione e ricezione dei dati.
Host Controller Interface: Poiché la maggior parte dei sistemi Bluetooth hanno Baseband e Link Manager su un processore e gli altri livelli e le applicazioni su un altro processore è necessario definire una interfaccia standard fra i 2.
Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP): Multiplexing, segmentazione e riassemblaggio.
Service Discovery Protocol (SDP): Definisce il modo in cui una applicazione client opera per scoprire i servizi forniti dal Bluetooth servers.
RFCOMM: Emula il collegamento RS232 per connettere il livello Baseband con una applicazone finale utente o con una applicazione intermedia.
Wireless Access Protocol (WAP): Protocollo wireless per consentire ai dispositivi mobili di usare i servizi disponibili su internet.
OBEX: Consentire a vari dispositivi di scambiare dati semplicemente e spontaneamente.
Telephony Control Protocol (TCS): Definisce la modalità per inoltrare telefonate sia punto-punto che multi punto, attraverso Bluetooth.

Stabilire una connessione

Per stabilire una connessione ogni unità trasmette un messaggio Inquiry per scoprire tutte le unità esistenti nella Piconet. Una unità diventa il Master e le altre Slave. Un master può divenire lo Slave in un’altra piconet. In tal modo due piconet formano una Scatternet.

Temporizzazione dei pacchetti

Si utilizza il Time Division Duplex (TDD), in cui il master trasmette negli slot pari e lo slave negli slot dispari. Ogni slot però può trasmettere al più un pacchetto.

Link fisici
Asynchronous Connectionless Link (ACL): Il master scambia pacchetti con ogni slave (uno per slot). Connessioni packet switched con tutti gli slave attivi nella piconet. Adatto per comunicazioni dati.
Synchronous Connection Oriented (SCO): Link simmetrico punto-punto fra master ed uno specifico slave. Connessioni di tipo circuit switched con time slot riservati. Adatto per comunicazioni voce.
Stati di un nodo
HOLD mode: Lo slave non perde l’indirizzo e rimane connesso dentro la piconet.
PARK mode: Lo slave perde l’indirizzo ed esce dalla piconet. Rimane comunque sincronizzato con le temporizzazioni dettate dal master.
SNIFF mode: Il dispositivo rimane attivo ma con un duty-cicle ridotto. Rimanendo attivo per poco tempo quindi, consuma di meno.

ZigBee

ZigBee è uno degli ultimi standard wireless progettato per l'uso in applicazioni embedded che richiedano un basso transfer rate e bassi consumi. È infatti in grado di trasportare piccole quntità di dati (max 250 kbit/s) fino a 70 metri nelle bande radio ISM, realizzando reti star o peer-to-peer tra oggetti mobili. Permette così di interconnettere alcune centinaia di nodi ed è caratterizzato da bassa potenza e basso costo per poter essere incorporato anche in oggetti di poco prezzo.

Protocollo

Il protocollo è diviso in due parti relative ai due diversi standard che li controllano:
IEEE 802.15.4: Si occupa della trasmissione e ricezione sul mezzo fisico radio e permette il trasporto affidabile di dati.
ZigBee: Si occupa invece della topologia della rete, del routing, della gestione della sicurezza e del software per le applicazioni.
IEEE 802.15.4
Caratteristiche principali:
Semplicità e affidabilità
Il canale di accesso è CSMA/CA con time slotting opzionale.
Utilizza messaggi di ack e strutture beacon opzionali.
La sicurezza è multi-livello.
Superframe opzionale.
Routing su vari percorsi.
Robustezza
Si accerta che il canale sia libero prima della trasmissione.
Conferma ogni pacchetto ricevuto.
Ritrasmette se non viene ricevuta conferma.
Duty cicle molto basso.
La modulazione adottata è di tipo DSSS (già vista per l’802.11) e la struttura della frame è la seguente:

Funzioni del livello fisico
Attivazione e disattivazione del tranceiver.
Rilevazione dell’energia (o potenza del segnale) nel canale in uso (Energy Detection ED).
Rilevamento della qualità del collegamento e dei pacchetti ricevuti (Link Quality LQ).
Clear Channel Assessment (CCA): da una stima sull’occupazione del canale.
Fornire tutti i servizi svolti alla realizzazione del CSMA-CA.
Selezione della frequenza di comunicazione.
Trasmissione e ricezione di dati.

Accesso al canale

Esistono due meccanismi di accesso al canale:
Senza beacon
Con beacon
Una beacon è una frame che delimita l’inizio e la fine di una superframe che è divisa in vari slot che possono essere utilizzati dai vari nodi.
Il MAC IEEE 802.15.4 definisce quattro strutture di frames che verranno incapsulate singolarmente dentro la PDU del livello fisico prima che quest’ultima venga spedita.

Beacon frame
Command frame
Ack frame
Data frame

ZigBee
Servizi del livello di rete
I servizi offerti a livello di rete sono:
Configurazione dei dispositivi
Determinazione di una nuova rete
Appartenenza alla rete
Indirizzamento
Selezionamento delle opzioni di sicurezza
Sincronizzazione
Time slot garantiti
Risoluzione degli orfani
Portabilità
Coordinatore di riserva
Risoluzione dei conflitti dell’identificatore
Selezione dinamica del canale
Operazioni di estensione
Fusione/collegamento di reti
Le topologie di rete ZigBee sono tre:

In ogni topologia sono presenti:
Network Coordinator: trasmette beacons, setta una rete, amministra un nodo, memorizza informazioni relative ai nodi di rete, instrada messaggi fra coppie di nodi.
Network Node: ricerca le reti disponibili, trasferisce dati dalla propria applicazione quando è necessario, stabilisce se il dato è in attesa, richiede dati dal network coordinator, può “dormire” per molto tempo, è generalmente corredato da batteria.
Servizi del livello applicativo
I servizi del livello applicativo sono:
Discovery: Supporto di primitive per la scoperta di dispositivi che stanno operando nello stesso spazio di un dispositivo.
Binding: Accoppiamento di 2 o più dispositivi.
Security: Relazioni attraverso chiavi sicure.
Mercato iniziale
Home Control
Building Automation
Industrial Automation

ZigBee vs. Bluetooth

Anche se i ricetrasmettitori Bluetooth e ZigBee sono molto simili, i protocolli sono differenti e progettati per diversi scopi.
Il protocollo ZigBee, rispetto a Bluetooth, è stato sviluppato per svariati tipi di applicazioni ed è ottimizzato per il consumo di energia.
Il consumo di potenza sarebbe simile solo nel caso di ricetrasmettitori senza protocollo.
ZigBee, a confronto con Bluetooth, permette di avere:

• duty cycle molto basso;
• lunga vita delle batterie;
• elevato numero di nodi in reti sia statiche che dinamiche;
• bassa latenza;
• basso costo dei dispositivi.

Realizzato da Gianfranco Vecchio (Ginafrix) in Esclusiva Per TiempoLibreSite.com

Pubblicato in : Rubriche, Lezioni Di Informatica

Commenti utenti (0)

Aggiungi il tuo commento