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UWB secondo WiMedia La nascita di UWB: Nel 2002 la FCC (Federal Communications Commission), ha emesso un report per la regolamentazione delle emissioni dei dispositivi UWB, basandosi su vincoli di cautela imposti da NTIA (National Telecommunications and Information Administration), volti a proteggere i dispositivi funzionanti su bande già assegnate e sovrapposte a quella di UWB; in tal modo FCC ha autorizzato l'emissione e stabilito le maschere per i limiti di potenza e di frequenza, permettendo in pratica la commercializzazione e il funzionamento di nuovi prodotti basati su UWB. FCC menziona in particolare gli spettri di frequenza al di sotto dei 960 Ghz, fra 1.99 e 10.6 Ghz, fra 3.1 e 10.6 Ghz e nella banda dei 24 GHz Nel 2007 UWB ha poi ottenuto l'approvazione come standard internazionale ISO (International Organization for Standardization). In Europa si occupa del processo di standardizzazione l'ETSI (European Telecommunications Standards Institute), precisamente il Task Group 31A. In questo elaborato ci occuperemo di trattare in particolare le proposte del consorzio WiMedia Alliance per lo sviluppo e l'utilizzo della tecnologia UWB, oltre ad offrire una sintetica panoramica sulle più comuni tecniche di sviluppo proposte per UWB. Cos'è UWB: UWB vuol dire Banda Ultra Larga (Ultra Wide Band), quindi: segnali molto brevi (ps o ns), quindi basso consumo di energia (caratteristica importante per tecnologie come Bluetooth, ad esempio); possibili interferenze, quindi potenza limitata (viene utilizzata allora la tecnica DAA (Detect and Avoid): se viene intercettato un segnale sulla frequenza di utilizzo, UWB cerca di cambiare frequenza per evitare interferenza; inoltre vengono implementate adeguate politiche di gestione della potenza di trasmissione: TPC, Transmission Power Control). Lapo Cioni lapocioni@gmail.com
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UWB secondo WiMedia

Jun 07, 2015

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Lo sviluppo di Ultra Wide Band secondo WiMedia Alliance.
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UWB secondo WiMedia

La nascita di UWB: Nel 2002 la FCC (Federal Communications Commission), ha emesso un report per la regolamentazione delle emissioni dei dispositivi UWB, basandosi su vincoli di cautela proteggere i dispositivi funzionanti su bande gi assegnate e sovrapposte a quella di imposti da NTIA (National Telecommunications and Information Administration), volti a UWB; in tal modo FCC ha autorizzato l'emissione e stabilito le maschere per i limiti di potenza e di frequenza, permettendo in pratica la commercializzazione e il funzionamento di nuovi prodotti basati su UWB. FCC menziona in particolare gli spettri di frequenza al di sotto dei 960 Ghz, fra 1.99 e 10.6 Ghz, fra 3.1 e 10.6 Ghz e nella banda dei 24 GHz Nel 2007 UWB ha poi ottenuto l'approvazione come standard internazionale ISO standardizzazione l'ETSI (European Telecommunications Standards Institute), (International Organization for Standardization). In Europa si occupa del processo di precisamente il Task Group 31A. In questo elaborato ci occuperemo di trattare in

particolare le proposte del consorzio WiMedia Alliance per lo sviluppo e l'utilizzo della tecnologia UWB, oltre ad offrire una sintetica panoramica sulle pi comuni tecniche di sviluppo proposte per UWB. Cos' UWB:

UWB vuol dire Banda Ultra Larga (Ultra Wide Band), quindi:

segnali molto brevi (ps o ns), quindi basso consumo di energia (caratteristica importante per tecnologie come Bluetooth, ad esempio); possibili interferenze, quindi potenza limitata (viene utilizzata allora la tecnica DAA (Detect and Avoid): se viene intercettato un segnale sulla frequenza di utilizzo, UWB cerca di cambiare frequenza per evitare interferenza; inoltre TPC, Transmission Power Control).

vengono implementate adeguate politiche di gestione della potenza di trasmissione:

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Le caratteristiche principali della tecnologia UWB sono:

vanta forte resistenza alle interferenze da cammini multipli (Multipath) a causa della brevit dellimpulso, che minimizza il problema dell'interferenza tra il segnale diretto e quelli riflessi durante il percorso;

vanta capacit di penetrazione attraverso gli ostacoli: i picchi di assorbimento di strette, mentre i brevi impulsi dell'UWB sono distribuiti su bande ultralarghe;

ostacoli metallici sono solitamente concentrati su bande di frequenza relativamente

le interferenze fra i dispositivi sono minime: la densit spettrale di potenza di un segnale UWB talmente bassa che i segnali vengono percepiti sotto la soglia del il problema del Jamming); rumore da apparati che dovessero operare sulle medesime bande (minimizza anche

il BitRate pu raggiungere l'ordine dei Gbps; la copertura radio dell'ordine di poche decine di metri: si parla quindi di WPAN.

Secondo la FCC (Federal Communications Commission) un segnale pu essere definito UWB se ha:

Banda Relativa >= 0.2 Banda Assoluta (a -10 dB) >= 500 MHz

La Banda Relativa definita come:

=2*(fh-fl)/(fh+fl)

dove fh e fl sono rispettivamente la frequenza superiore e inferiore. Lo studio di UWB: Il Work Group 802.15 dell'IEEE si occupa dello sviluppo di tecnologie Wireless per reti di tipo PAN (Personal Area Network); il WG suddiviso in pi Task Group, fra i quali:

802.15.3: reti ad elevato DataRate (HR-WPAN) 802.15.4: reti a basso DataRate (LR-WPAN)lapocioni@gmail.com

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IEEE Task Group 3 si occupa dello sviluppo di reti WPAN che richiedono elevato

DataRate (utile specialmente per applicazioni multimediali); il TG 802.15.3a si era poi concentrato su soluzioni basate su UWB, ma il suo lavoro stato interrotto (almeno UWB Forum, che hanno focalizzato lo sviluppo dei loro progetti sulle tecniche:

momentaneamente) nel Gennaio 2006, lasciando l'eredit ai consorzi WiMedia Alliance e

MB-OFDM (MultiBand Ortogonal WiMedia Alliance;

Frequency Division Multiplexing) per

DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access) per UWB Forum.

Bluetooth SIG (Special Interest Group) ha OFDM sostenuta da WiMedia, per lo

scelto (nel marzo 2006) la tecnologia MB-

Immagine 1: Stack UWB integrato in tecnologie diffuse.

sviluppo del BT; lo stesso ha fatto USB-IF (Implementers Forum) per lo sviluppo dell'USB Wireless; anche lo standard IEEE 1394 diventer senza fili, con il nome di Wireless FireWire. Nella convergenza Bluetooth-UWB si utilizzano i livelli MAC e Seattle. Fisico dell'UWB e i livelli superiori del Bluetooth: la versione 3.0 di BT denominata

IEEE Task Group 4, connesso al Consorzio ZigBee Alliance, si occupa invece dello sviluppo del livello Fisico per applicazioni a pi basso BitRate, ma anche a bassissimo consumo di potenza quindi minimo consumo di batteria (utile specialmente per reti di sensori e controllo remoto); le tecniche sfruttate sono:

TH-PPM (Time Hopping Pulse Position Modulation) CSS (Chirp Spread Spectrum).lapocioni@gmail.com

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Lo sviluppo di soluzioni tecnologiche per il HR-WPAN (High Rate) appoggiate all'UWB quindi il principale obiettivo del Task Group 802.15.3 dell'IEEE; 802.15.4 si occupa invece delle trasmissioni a basso BitRate (LR-WPAN), gestendo le bande di frequenza pi basse per l'UWB, in particolare:

Banda di frequenza 868 MHz 915 MHz 2.4 GHz

Nr. di canali 1 10 16

Data Rate 20 kbps 40 kbps 250 kbps

Tabella 1: Bande e DataRate dei canali ZigBee

Come livello fisico principale sul quale basare lo studio per le reti LR-WPAN di nuova generazione il TG 802.15.4 ha scelto, alla fine del 2006 con la pubblicazione del draft standard 802.15.4a, CSS (Chirp Spread Spectrum, banda ISM a 2.45 GHz).

Deve essere sottolineato che WiMedia e ZigBee non sono dirette concorrenti: esse infatti propongono soluzioni per reti di tipo diverso, ad elevata velocit e breve distanza la prima, mentre a BitRate minore e distanza maggiore la seconda; sono invece dirette concorrenti le tecnologie MB-OFDM e DS-CDMA proposte da WiMedia e UWB Forum per detto che DS-CDMA permette un BitRate trasmissivo ancora maggiore rispetto a MB-OFDM, collocandosi di fatto in una categoria a parte di reti wireless: non HRWPAN, ma Very High Rate-WPAN. La storia delle reti di telecomunicazioni ci mostra come le nuove applicazioni abbiano necessit di un sempre maggior DataRate e questo potrebbe, in futuro, essere il punto di forza della tecnica proposta da UWB Forum. Le proposte di ZigBee e UWB Forum prevedono l'utilizzo di trasmissioni monobanda:Lapo Cioni lapocioni@gmail.com

rispettivamente: esse si basano infatti su tipologie di rete molto simili. In ultima analisi va

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vengono trasmessi impulsi di durata brevissima (ns), che occupano tutta la banda, mantenendo una densit spettrale di potenza molto bassa (detto anche metodo CarrierFree). La tecnica MB-OFDM di Wi-Media prevede invece una trasmissione Multi-Banda: la banda suddivisa in pi canali e si salta da una banda di trasmissione ad un'altra in funzione di un codice. La tecnica TH-PPM anche detta Impulse Radio (IR), le tecniche IR e DS-UWB sono decisamente diverse rispetto alla tecnica MB-OFDM: nelle prime, infatti, brevi impulsi di durata 100 ps - 1 ns e con intervallo fra impulso e impulso variabile (generalmente fra 25 e 1000 ns) vengono dirattemente modulati, occupando una larghezza di banda di diversi GHz. L'utilizzo di questi metodi comporta, per, un'elevata complessit sia nei ricevitori basa sempre sull'invio di impulsi di durata brevissima, ma ogni impulso pu avere una frequenza diversa, cio appartenere ad una banda diversa. MB-OFDM va oltre: introduce l'efficienza spettrale dell'OFDM in aggiunta al

che nei convertitori ADC. Un'alternativa a questi metodi la tecnica Pulsed Multiband: si

Multibanding; il punto cruciale di UWB di riuscire ad utilizzare bande ultralarghe (FCC difinisce la larghezza minima di ogni banda intorno ai 500 MHz) con basse emissioni di potenza; MB-OFDM punta a raggiungere questi due obiettivi suddividendo la banda in sottobande e trasmettendo su ognuna di esse in base ad un codice. L'utilizzo di tutta la banda viene quindi ottimizzato, con una suddivisione del canale sia nel tempo che in Slot. frequenza. I simboli OFDM vengono trasmessi utilizzando una sotto-banda per ogni Time MB-OFDM permette quindi di utilizzare uno spettro amplissimo (riuscendo a trasmettere con Densit Spettrali di Potenza molto basse, tali da non interferire con altri dispositivi seppure si utilizzino le stesse frequenze), ma anche di far lavorare trasmettitore e riducendo in tal modo la loro complessit. ricevitore con singoli segnali che abbiano una larghezza di banda ridotta (528 MHz),

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Dall'immagine si nota la diversificazione nel tempo e in frequenza fatta da MB-OFDM per il primo gruppo di frequenze.

Immagine 2: Diagramma di temporizzazione dei pacchetti in funzione del TFC.

Ogni simbolo OFDM preceduto da una sequenza chiamata Zero-Padding e succeduto da un intervallo di guardia. MB-OFDM verr analizzata pi accuratamente in seguito. UWB la prima tecnologia che sia stata approvata a livello mondiale per operare su frequenze gi assegnate; questa novit estremamente rilevante, tanto pi in una situazione come quella attuale, dove c' sempre maggior necessit e minor disponibilit di banda libera. Per poter permettere una sovrapposizione delle frequenze, sono state imposte rigide normative all'UWB riguardo le emissioni di potenza: riportiamo la maschera di emissione prevista da FCC per gli USA:

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Nel grafico sono considerate le emissioni in termini di EIRP (Equvalent Isotropically Radiated Power: dBm/MHz) per le comunicazioni INDOOR e si pu notare come le emissioni elettromagnetiche possano raggiungere un massimo di circa -41.3 dBm/MHz nella banda 3.1-10.6 GHz (circa 75 nW/MHz; quindi, ipotizzando di utilizzare tutti i 7.5 dBm/MHz nella banda in cui presente anche il GPS (0.96-1.61 GHz). GHz, si ottiene una potenza media di circa 0.56 mW), mentre non possano superare i -75 La tecnologia UWB pu essere sfruttata con antenne omnidirezionali entro un raggio di 10 metri ad esempio per tecniche di localizzazione, utilizzando altre antenne o etichette RFID in modo da ottenere la necessaria triangolazione; utilizzando, invece, antenne direzionali si possono raggiungere anche distanze maggiori. Il nostro interesse concentrato sulle reti HR-WPAN e, in particolare, sulle soluzioni una breve panoramica sulle tecniche utilizzate da UWB-Forum: UWB Forum:

Immagine 3: Emission Mask per UWB in USA, FCC.

proposte da WiMedia; per poterle meglio analizzare e confrontare, facciamo comunque

Si occupa dello studio di tecniche per l'integrazione di UWB in reti di tipo Very HighLapo Cioni lapocioni@gmail.com

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Data Rate PAN (da 28 a 1320 Mbps, in funzione anche della distanza). La tecnica di base il DS-CDMA, l'allargamento di banda viene quindi ottenuto tramite il Direct Sequence Spread Spectrum e l'accesso multiplo al canale gestito con il Code Division Multiple pi marcate rispetto alla tecnica WiMedia, che utilizza una divisione di tempo, con temporizzazione sincrona (TDMA) o asincrona (CSMA/CA). Access: la gestione del mezzo a divisione di codice fra gli utenti una delle differenze

I motivi per cui importante l'allargamento dello spettro sono fondamentalmente tre: la reiezione dell'interferenza, la privacy e, in ultima analisi, la facillitazione per l'accesso multiplo. Alternativa alla DS la tecnica di Spread Spectrum detta FH (Frequency Hopping), pi efficace, ma anche molto pi complessa rispetto a DSSS; UWB Forum ha segnale in una banda maggiore, ma stavolta questo non viene fatto con i salti in (attraverso l'operazione di XOR) in un Chip. de-spreading e si demodula il segnale.

quindi puntato sulla tecnica DSSS, anche per motivi di semplicit: lo spreading espande il frequenza, bens utilizzando una sequenza di spreading che trasforma ciascun bit Al ricevitore viene fatta l'operazione inversa, per ricavare il segnale originale: si opera il La tecnica DS-UWB prevede l'utilizzo di ricevitori di tipo Rake Hard Decision, per sfruttare l'effetto Multipath del canale. Trasformare il Bit in Chip vuol dire diminuire il tempo di 'simbolo', questo equivale a spalmare la densit di potenza del segnale su uno spettro pi ampio. Questa tecnica di dispersione della potenza nello spettro radio si

associa particolarmente bene con la tecnica di accesso multiplo CDMA (Code Division Multiple Access), che richiede l'utilizzo di un Codice per la distinzione dei vari utenti durante l'operazione di accesso al mezzo condiviso: infatti la Spreading Sequence pu diventare allo stesso tempo anche Codice, con il nome di Spreading Code, ottenendo cos un'ottimizzazione delle risorse. Il segnale a spettro espanso risulter indistinguibile dal segnale codificato in questo modo sar anche resistente alle interferenze e allo stesso rumore per chi non conosce la sequenza Pseudo Noise con cui decodificarlo. Per di pi, il tempo facile da decodificare, infatti in ricezione si effettua l'operazione di De-Spreading, che consiste nel sommare in XOR il segnale ricevuto con lo Spreading Code avendo due conseguenze: riportare il vero segnale che vogliamo ricevere da banda larga a banda

stretta, facilitando cos le operazioni di filtraggio degli altri segnali; spreadare le eventualiLapo Cioni lapocioni@gmail.com

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interferenze a banda stretta che il segnale pu aver subito durante la trasmissione, equiparandole in tal modo al rumore di fondo, facile da filtrare appunto. Il DS-CDMA pu operare in due bande indipendenti: 3.1-4.85 GHz e 6.2-9.7 GHz; all'interno di ogni banda sono supportati fino a 6 canali, con codici di accesso e frequenze di lavoro univoche. Un sistema DS-CDMA quindi composto da due susseguenti modulazioni: una

modulazione primaria, che nella proposta dell'UWB Forum principalmente la BPSK, e una modulazione secondaria, propria della tecnica di Spreading DS-CDMA, attraverso il Codice di Spreading. In alternativa pu essere opzionalmente usata la modulazione Q-BOK o 4-BOK un'efficienza maggiore, al costo di un maggiore BER (Bir Error Rate).

(Quaternary Bi-Orthogonal Keying), dove ogni simbolo trasmette 2 bit, ottenendo La soluzione proposta da UWB Forum prevede inoltre una Codifica convoluzionale a Controllo d'Errore (FEC) introducendo una ridondanza di 1/2 o di 3/4, per rendere ancora pi robusta la trasmissione. Si utlizzano dei registri a scorrimento per implementare la dell'ingresso che dello stato precedente). codifica convoluzionale (ovvero una codifica con memoria, dove l'uscita funzione sia

_________________________________________ Passiamo ad analizzare in maggior dettaglio la proposta di UWB secondo WiMedia Alliance: Facciamo dapprima alcune precisazioni che ci permetteranno di capire meglio l'UWB secondo WiMedia: le reti che stiamo trattando sono definite WPAN; per Wireless Personal Area Network si intende una rete wireless di tipo short range, ovvero la cui delle WPAN l'assenza di dispositivi che agiscano esclusivamente da Access Point, WPAN sono, infatti, reti Ad-Hoc, dove la comunicazione di tipo peer-to-peer. Gli

estensione massima approssimativamente 10 metri; altra caratteristica fondamentale ovvero di dispositivi che si occupano in modo esclusivo di gestire l'accesso alla rete: le standard 802.15.3, ad ogni modo, prevedono la possibilit di utilizzare un algoritmo di

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accesso al mezzo condiviso a divisione di tempo, con temporizzazione isosincrona e asincrona, oltre ad altri metodi come quello a divisione di codice CDMA; il TDMA (Time Division Multiple Access, accesso di tipo sincrono) anche la soluzione scelta da WiMedia, in aggiunta ad una temporizzazione asincrona di tipo CSMA/CA. Proprio il supporto del TDMA richiede quindi una sincronizzazione fra le stazioni della rete (i per una rete WPAN basata su un PHY che lavora a 2.4 GHz, quindi in banda ISM) peers): la topologia della rete definita dallo standard 802.15.3 (che descrive le specifiche definisce il gruppo di peers all'interno del range della WPAN con il nome di Piconet e fra i peers viene eletto un PNC (PicoNet Controller), che ha appunto la mansione di occuparsi

della sincronizzazione fra le stazioni.Immagine 4: Una Piconet definita nello std. 802.15.3 prevede la presenza di un PNC.

Oltre ad occuparsi del corretto timing della piconet, utilizzando dei pacchetti

chiamati Beacon, il PNC si occupa della gestione della QoS, della gestione dei metodi di risparmio energetico e della gestione del controllo d'accesso. La rete WPAN definita dall'IEEE quindi una rete a controllo centralizzato. La proposta UWB Forum fa uso del MAC dell'IEEE.

La proposta di WIMedia, che estende anch'essa la rete WPAN definita dal Task Group 802.15.3 all'utilizzo di UWB, stata formalizzata con lo standard Ecma-368: a meno di alcune definizioni equiparabili come il caso di "Piconet" e "Beacon Group", una delle sostanziali differenze fra la proposta WiMedia e l'802.15.3 nella topologia di rete sta nel controllo: per WiMedia il controllo totalmente distribuito (si parla di MAC distribuito, dell'IEEE. I beacon vengono trasmessi in broadcast a tutti i devices del BG , che si sincronizzarsi. "all is ad-hoc") e non viene definito un controllore del Beacon Group (BG), duale al PNC coordinano fra loro per definire un BPST (Beacon Period Start Time) univoco, cio per Il punto cardine della porposta WiMedia l'adozione della tecnica MB-OFDM, che

permette di combinare i vantaggi dei sistemi MultiBanda, come le tecniche di FrequencyLapo Cioni lapocioni@gmail.com

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Diversity, con la robustezza dell'OFDM in presenza di canali affetti da Multipath; la proposta WiMedia, come detto, stata scelta per lo sviluppo sia di dispositivi Bluetooth di terza generazione che USB Wireless. L'adozione dell'UWB come livello fisico per entrambe le tecnologie porter a notevoli cambiamenti: USB infatti passer da tecnologia

wired a wireless, mentre BT avr come maggiore beneficio rispetto al passato un notevole incremento della velocit trasmissiva. Le specifiche per UWB sulle quali si basa il lavoro di sviluppo di WiMedia sono descritte negli standard Ecma (European Computer Manufacturers Association) -368 (per la definizione dei livelli PHY e MAC dell'UWB in applicazioni High Rate) e -369 (per la definizione di un'interfaccia PHY-MAC basata sullo standard 368). L'obiettivo di WiMedia Alliance sviluppare una piattaforma radio comune per il supporto di applicazioni multiple (es. Wireless USB, Bluetooth, Wireless FireWire, IP) basata su UWB. L'obiettivo dell'interoperabilit fra le varie applicazioni sullo strato radio viene reso possibile dalla WiMCA (WiMedia MAC Convergence Architecture), che ha il compito di rendere possibile la condivisione delle risorse

dell'UWB: WiMCA definisce alcune politiche per l'utilizzo temporale del canale, per la sicurezza, per la gestione dei dispositivi e delle WPAN, per la QoS e per la gestione della potenza di trasmissione. Come abbiamo visto, WiMedia si occupa di portare avanti lo sviluppo di soluzioni basate su UWB per reti HR-WPAN; dobbiamo specificare che la

stessa WiMedia Alliance definisce WPAN come una rete ad-hoc centrata intorno ad una persona o un oggetto che fermo o in movimento; la rete pu raggiungere fino 10 metri e permette ad un elevato numero di strumenti digitali all'interno di questo range di copertura di comunicare fra di loro. Uno degli obiettivi pi importanti del lavoro di

WiMedia Alliance il supporto per le applicazioni multimediali (la piattaforma UWB WiMedia infatti definita, dal consorzio stesso, come una piattaforma 'applicationfriendly'): UWB permette di ottimizzare la connettivit wireless fra vari dispositivi multimediali all'interno di una WPAN. La particolarit di UWB, che la prima

tecnologia che si propone di lavorare sopra frequenze gi occupate, la sua ottemperanza a svariati requisiti tecnologici e di mercato: una soluzione a basso costo, a basso consumo di potenza, ad elevata larghezza di banda e permette un buon supporto alla QoS per le applicazioni multimediali; inoltre la convergenza della piattaforma radio WiMedia con lo stack TCP/IP demandata ad un Protocol Adaptation Layer (PAL) chiamato WLPLapo Cioni lapocioni@gmail.com

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(WiMedia Link Control Protocol) o anche WiNet/IP (WiMedia Network /IP). Siamo particolarmente interessati agli sviluppi della piattaforma UWB di WiMedia poich risulta essere la soluzione gi scelta per il futuro di tecnologie ampiamente utilizzate come Bluetooth e USB, tenendo in considerazione che questa non ha l'obiettivo di rimpiazzare altri standard wireless IEEE come 802.11 (Wi-Fi), 802.15.1 (Bluetooth) o 802.15.4 (ZigBee), ma di essere rispetto a questi una soluzione complementare. permette di ottenere alcuni benefici, fra i quali: WiMedia ha scelto MB-OFDM per lo sviluppo della sua piattaforma, in quanto questo - minime emissioni fuori banda ed emissioni in banda controllabili; - complessit realizzativa minore (specie dei ricevitori e dei convertitori ADC) rispetto all'impiego di TH-PPM e DS-CDMA; - maggior resistenza all'ISI; canale multipath. Analiziamo le soluzioni proposte da WiMedia e formalizzate nello standard Ecma-368, per i livelli PHY e MAC su piattaforma radio UWB, facendo dapprima una caratterizzazione generale:

- MB-OFDM risultata migliore rispetto a DS-UWB nel catturare l'energia dispersa in un

si tratta si configurare una rete WPAN con elevato a N cp div `ao aap> L>v "ete d, 4pg "tenza >H> t

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Come schema di modulazione per trasmettere l'informazione viene usato MB-OFDM (Multi Band Orthogonal Frequency Division Modulation) con un totale di 110 sottoportanti per banda (100 portanti per i dati e 10 per informazioni di controllo, dette 'portanti di guardia'); inoltre 12 sottoportanti pilota permettono una rilevazione coerente. una codifica FEC (Forward Error Correction) per adattarsi al meglio alle condizioni del canale. Il sottolivello MAC (Medium Access Control) si occupa di gestire la mobilit e fornisce schemi a priorit per il trasferimento di dati isosincrono e asincrono. Per permettere questo, vengono utilizzati schemi di accesso multiplo al canale di tipo CSMA (Carrier Sense Multiple Access) e TDMA (Time Division Multiple Access): l'accesso TDMA permette traffico isosincrono e utilizza il protocollo DRP (Distributed Reservation Sono supportate le tecniche di Spreading FD (Frequency Domain) e TD (Time Domain) e

Protocol), mentre il traffico asincrono gestito in CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) ed utilizza il protocollo PCA (Prioritized Contention intervallo di tempo durante il quale gli permesso trasmettere, detto TXOP Access): questo un accesso a priorit, dove il dispositivo che ottiene il canale ha un (Transmission Opportunity). Questa distinzione nella gestione degli accessi al mezzo utilizzata anche in altre tecnologie, come l'802.11, che distingue due periodi di accesso: dove il mezzo viene conteso in modo paritario dai dispositivi e CFP (Contention Free gestione di tipo polling. Vediamo le principali caratteristiche dei livelli PHY e MAC: CP (Contention Period), che utilizza la tecnica DCF (Distributed Coordination Function) Period), che invece utilizza la tecnica PCF (Point Coordination Function) e permette una

Livello Fisico (PHY): l'UWB per HR-WPAN, definito nello standard Ecma-368, utilizza una banda che va da 3.1 a 10.6 GHz, con trasmissione multirate: 53.3 - 80 - 106.7 - 160 - 200 - 320 - 400 - 480 Mb/s. Come visto, la banda di frequenza divisa in 14 sottobande, raggruppate in 5 gruppi ( previsto anche un sesto gruppo, che comprende le sottobande 9 (gruppo 3), 10 e 11 (gruppo 4), definito per andare incontro alle restrizioni regolamentari dei vari Paesi). Il diagramma di allocazione delle bande il seguente:

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Immagine 6: Bande di frequenza e gruppi di bande definite nello standard Ecma-368.

Per il nostro dispositivo UWB sufficiente supportare almeno una di queste bande. La suddivisione dello spettro in bande di 528 Mhz e l'utilizzo di Hopping Pattern distribuiti potenza media trasmessa di un fattore 3, cio 4.77 dB; per questo FCC ha rivisto i limiti su 3 bande porta ad un abbassamento del Duty Cicle di 1/3, quindi ad una riduzione della di emissioni imposti, portando la soglia della maschera di emissione da -41.3 dBm/MHz a -36.5 dBm/MHz con l'utilizzo delle sottobande definite da WiMedia. In aggiunta a quanto visto precedentemente per i lineamenti generali del MBO (Multi Band OFDM), specifichiamo che la codifica convoluzionale FEC pu avere rate di codifica 1/3, 1/2, 5/8 bit codificati al trasmettitore.

o 3/4, esso viene variato applicando la procedura di Puncturing, ovvero omettendo alcuni Per supportare pi piconet simultaneamente, i dati vengono spreadati su una banda di frequenza pi larga, utilizzando la tecnica TFC (Time Frequency Code): l'informazione pu essere:

1. interlacciata su 3 bande: TFI (Time Frequency Interleaving), si tratta di una tecnica 2. interlacciata su 2 bande: Two Band TFI o TFI2, 3. trasmessa su una singola banda: FFI (Fixed Frequency Interleaving). La tecnica definita da WiMedia come TFC una tecnica di Spreading del segnale sullo appunto Time Frequency Code) in funzione del metodo utilizzato (TFI/TFI2/FFI); con di frequency hopping, come la seguente,

spettro: viene definito uno schema di salto (Hopping Pattern, descritto da un codice detto TFI il pattern dei salti distribuito su 3 bande all'interno dello stesso gruppo, mentre nel

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TFI2 le bande utilizzate sono 2; con FFI, invece, il segnale sta su un'unica banda di frequenza. Per i gruppi di bande 1, 2, 3, 4, 6 sono definiti 10 differenti codici TFC, (poich possono essere definiti nuovi TFC, questo numero potrebbe cambiare). La mentre per il gruppo 5 sono definiti 3 codici FFI; in totale, quindi, abbiamo 53 canali lunghezza di un codice TFC di 6 simboli. TFC permette la coesistenza di differenti piconet contemporaneamente; quando, per, codici TF di piconet diverse collidono, si ha IPI (Inter Piconet Interference).

Il livello PHY suddiviso a sua volta in due sottolivelli: - Sottostrato PLCP (Physical Layer Convergence Protocol): adatta la capacit dei dispositivi dipendenti dal mezzo ai servizi dello strato fisico; - Sottostrato PMD (Physical Medium Dependent): provvede all'invio e ricezione di dati tra due o pi stazioni. PMD si interfaccia con il livello MAC attraverso l'interfaccia PLCP. Le unit informative a livello PHY e a livello MAC possono essere distinte in:

- MSDU (MAC Service Data Unit): sono le informazioni scambiate attraverso il MSAP (MAC Service Access Point), ovvero l'interfaccia fra il livello MAC e quelli superiori; - PSDU (PHY Service Data Unit): sono le informazioni scambiate attraverso il PSAP (PHY Service Access Point), ovvero l'interfaccia fra livello PHY e livello MAC; di due dispositivi distinti;

- MPDU (MAC Protocol Data Unit): le unit informative scambiate fra due livelli MAC - PPDU (PLCP Protocol Data Unit): le unit infromative scambiate fra due livelli PHY di due dispositivi distinti, in particolare fra i sottolivelli PLCP.

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Immagine 7: Pila protocollare ISO/OSI: UWB occupa i livelli PHY e MAC.

Analiziamo il sottostrato PLCP: l'unit informativa associata a questo sottostrato, come detto, il PPDU definito come nell'immagine 8.

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Immagine 8: Formato del frame PPDU.Lapo Cioni lapocioni@gmail.com

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Senza entrare nei dettagli di ogni campo del pacchetto PPDU, facciamo alcune considerazioni: il compito del sottostrato PLCP trasformare, attraverso l'inserimento di Preambolo e Header, un PSDU in un PPDU; esso quindi composto di 3 elementi fondamentali: canale),

1_ un Preambolo PLCP (che ha lo scopo di facilitare la sincronizzazione e la stima del 2_ il PLCP Header (che comprende: l'header del PHY e l'header del MAC, utili per la decodifica del PSDU; il HCS (Header Check Sequence), che ha il compito di checksum per porteggere gli header PHY e MAC; l'applicazione del FEC tramite un codice ReedSolomon), 3_ il PSDU (che trasporta le informazioni dello strato superiore e dove notiamo che al Payload seguono il FCS (Frame Check Sequence), i Padding ed i Tail bits: questi quindi essere codificate con maggior efficacia). Prima di essere modulata, la PSDU viene quindi sottoposta a: vengono processati da uno Scrambler, ottenendo delle sequenze noise-like, che possono

- Scrambling (effettua la dispersione di energia, eliminando le periodicit e scorrelando in tal modo il segnale; rende la sequenza noise-like, facilitando la codifica), robusto contro gli errori introdotti dal canale distribuiti in modo uniforme), distribuiti a burst). L'interlacciamento, in particolare, una fase particolarmente delicata e complessa: la catena di Interleaving infatti composta da 3 blocchi: - Codifica Convoluzionale R-S (introduce ridondanza rendendo il segnale pi - Interleaving (modifica la sequenza dei bit, rendendola pi resistente ad errori

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Immagine 9: I 3 stadi dell'interlacciamento.

il Symbol Interleaver fornisce una diversit nel tempo spreadando bit successivi su tutti i 6 simboli di un codice TFC. Il Tone Interleaver e il Cyclic Shifter si occupano invece di fornire la diversit in frequenza, facendo in modo che i bit codificati adiacenti vengano mappati su sottoportanti OFDM separate.

Dopo il modulatore si applicano poi sul segnale tecniche di spreading sia nel tempo che in frequenza; in funzione del DataRate del flusso informativo, infatti, possono essere applicate TDS (Time Domain Spreading) e FDS (Frequency Domain Spreading): FDS ripete lo stesso simbolo binario (per QPSK, due bit) sottoportanti;Immagine 10: Le tecniche di Spreading variano in funzione della l'intero simbolo frequenza.

su due differenti TDS ripete

OFDM su due

consecutivi time slot. fattore 4.

Quindi TDS abbatte il DataRate di un fattore 2, mentre FDS+TDS lo abbatte di un

Come si nota dalla tabella, le tecniche TDS e FDS vengono entrambe utilizzate per DataRate relativamente bassi, mentre rimane il solo utilizzo di TDS per DataRate intermedi, poi n la prima n la seconda tecnica vengono utilizzate quando si sale oltre i

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200 Mbps (questo perch oltre i 200 Mbps viene cambiata modulazione: anzich la QPSK, si utilizza infatti la DCM, che attua intrinsecamente una diversit in frequenza).

Il segnale viene modulato con una modulazione difgitale: per BitRate inferiori a 200 Mbps si utilizza la QPSK (Quadrature Phase Shift la DCM (Dual-Carrier Modulation). Keying), mentre per BitRate maggiori viene usata

Nella modulazione QPSK i bit vengono divisi in gruppi di due, convertiti in numeri complessi eImmagine 11: Modulazione QPSK.

associati ognuno ad un punto sulla costellazione definita dalla codifica Gray. Per ottenere elevati DataRate si fa ricorso anche alla tecnica di Puncturing: questa, per, riduce l'effettiva efficacia della codifica convoluzionale (FEC). La modulazione DCM viene usata principalmente per mitigare l'impatto del fading selettivo in frequenza, di diversit in frequenza, riducendo cos la dipendenza dal FEC. senza abbattere il DataRate: modulando i simboli a coppie, DCM introduce una tecnica Su canali affetti da Multipath nei quali nessuna componente delle repliche decisamente prevalente (Fading alla Rayleigh), inoltre, le tecniche TDS e FDS si sono dimostrate efficaci soprattutto per BitRate non molto elevati; anche per questo motivo viene utilizzata DCM oltre i 200 Mbps. DCM prende 2 gruppi di 100 bit e li traduce in 100 valori complessi, la conversione

consiste in due passaggi: prima i 200 bit sono raggruppati in 50 gruppi di 4 bit, poi ogni gruppo di 4 bit viene mappato in una costellazione a 4 dimensioni (2 costellazioni da 16 in due simboli, spreadando cos l'energia di ogni bit informativo e attuando in tal modo una tecnica a diversit.Lapo Cioni

punti), convertendolo di fatto in 2 numeri complessi: ogni gruppo di 4 bit viene mappato

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Immagine 12: Modulazione DCM.

Come nella QPSK ogni gruppo di 2 bit veniva mappato in un simbolo, qui ogni gruppo di 4 bit viene mappato in 2 simboli, mantenendo cos intatto il DataRate offerto dalla modulazione. I due simboli risultanti per ogni gruppo di 4 bit vengono mappati in due toni IFFT, distanti l'uno dall'altro 50 toni; nella pratica questo vuol dire che i due toni sono distanto almeno 200 MHz, per questo motivo DCM efficace contro il fading selettivo in frequenza, grazie anche alla grande disponibilit di banda che ha la frequenze molto bassa. tecnologia UWB, infatti la probabilit che ci sia un fading profondo a entrambe le

La catena del trasmettitore MB-OFDM cos formata:

Immagine 13: Sistema di trasmissione MB-OFDM.

Dopo FDS/TDS (opzionale), gruppi di 100 simboli vengono composti (nell'operazione di Framing) in simboli OFDM, usando 122 sottoportanti. Le sottoportanti che non trasmettono dati, vengono utilizzate come toni pilota e sottoportanti di guardia. Ogni simbolo OFDM viene poi convertito nel dominio del tempo, usando una IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) a 128 punti; viene poi inserito un Intervallo di

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Guardia dopo ogni simbolo OFDM. OFDM classica utilizza un Prefisso Ciclico come intervallo di guardia: in pratica alcuni bit in coda vengono ripetuti all'inizio del simbolo OFDM; questa tecnica un metodo per Padding (ZP): alla fine di ogni simbolo OFDM viene aggiunto un suffisso composto da un certo numero di zeri. i due maggiori benefici sono: 1_ risparmio di energia, trasmettendo solo zeri; combattere l'ISI (Inter-Symbol Interference). MB-OFDM utilizza invece la tecnica Zero-

2_ si eliminano le periodicit nello spettro OFDM dovute al prefisso ciclico (Ripple). Al ricevitore, per, necessario eseguire una procedura di OverLap&Add (OLA) prima sistema maggiore. di fare la FFT e questo introduce correlazione fra i campioni, oltre ad una complessit di A questo punto il segnale viene convertito attraverso il DAC (Digital to Analog Converter), portato a radiofrequenza e trasmesso. In ricezione si effettuano le operazioni inverse:

Immagine 14: Sistema di ricezione MB-OFDM.

1_ si effettua la converione ADC; 2_ si rimuove l'intervallo di guardia attraverso la procedura di Overlap&Add; 3_ viene fatta una stima di canale ai minimi quadrati (LSE, Least Squares Error) utilizzando i 2 simboli pilota OFDM trasmessi per ogni banda all'interno dell'header del Error) poich la prima non richiede alcuna assunzione statistica sulla risposta impulsiva del canale); 4_ si effettua la FFT e, successivamente, il Deframing; pacchetto ( stata scelta la stima LSE, anzich la stima MMSE (Minimum Mean Squared

5_ si passa alle operazioni di Diversity Combining: se sono state utilizzate tecniche di spreading (TDS e/o FDS), si applica il MRC (Maximum Ratio Combining), metodoLapo Cioni lapocioni@gmail.com

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supposto il migliore quando si ipotizza che il canale sia AWGN: le repliche di ogni 'canale' vengono sommate dopo essere state rifasate (qui c' bisogno della stima di canale) e amplificate (o attenuate) di un fattore proporzionale all'intensit del segnale (le repliche che arrivano al ricevitore con intensit maggiore verranno ulteriormenteImmagine 15: MRC.

6_ la stima di canale viene poi utilizzata anche per la Demodulazione del segnale ricevuto (di tipo BICM, Bit-Interleaved Coded Modulation): il segnale modulato QPSK, Phase Lock Loop) si occuper allora di recuperare la fase della portante; infatti, avr bisogno di una demodulazione coerente; un anello di aggancio di fase (PLL, 7_ successivamento i bit vengono Deinterlacciati e, quindi, si applica il Depuncturer, per ristabilire il Rate di Codifica che permetter il giusto funzionamento al Decodificatore. Viene utilizzato un decodificatore di Viterbi, che utilizza la stima ML (Maximum Likelihood) con decodifica iterativa. La catena di TX/RX completa quindi la seguente: 8_ infine i bit vengono processati dal Descrambler, per ottenere i valori trasmessi.

amplificate e viceversa);

La portante viene inserita attraverso il Time-Frequency Interleaving Kernel, che implementa il TFC modificando la frequenza della portante per ogni Time-Slot; questa una delle maggiori differenze implementative fra OFDM classico e MB-OFDM. Se prendiamo in esame un segnale trasmesso nel primo gruppo di bande, il Kernel TFI

Illustrazione 16: Catena di trasmissione/ricezione MB-OFDM.

produrr portanti con frequenze 3.432 GHz, 3.960 GHz o 4.488 GHz, corrispondenti alleLapo Cioni lapocioni@gmail.com

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frequenze centrali delle 3 sottobande che compongono il primo gruppo; verranno utilizzate tutte e tre le frequenze con l'algoritmo TFI, due sole frequenze con il TFI2 o un'unica frequenza se utiliziamo FFI.

Facciamo un approfondimento sul punto focale della proposta WiMedia, ovvero il MultiBand OFDM: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) una tecnica efficienza spettrale e l'adattabilit a canali ostili soprattutto con elevati bitrate; come vedremo, inoltre, un vantaggio fondamentale dell'OFDM la semplicit di implementazione. OFDM gi utilizzato in ADSL, DAB e DVB, WiMax e Wireless LAN come 802.11g. L'utilit di OFDM facilmente osservabile quando si va a fare dovute ad ostacoli nel cammino, il segnale giunge al ricevitore da pi percorsi Risposta Impulsiva, che avr una certa durata, definita Delay Spread (Td). Le varie repliche del segnale arrivano quindi al ricevitore con ritardi diversi, per tutta la durata del Delay Spread; come visto, poi, in ricezione dovremo acquisire queste repliche e comporle in modo adeguato attraverso la con un MRC).Illustrazione 17: Delay Spread di un canale radio.

di modulazione multiportante basata su portanti ortogonali molto apprezzata per l'elevata

un'analisi del modello del canale per sistemi radio: a causa di riflessioni e diffrazioni (MultiPath), ognuno con un differente ritardo. Il canale pu essere caratterizzato dalla sua

procedura di Combining (ad esempio

Se il Delay Spread del canale molto maggiore rispetto al tempo di simbolo del segnale trasmesso, le ultime repliche del segnale precedente andranno a sovrapporsi temporalmente sulle prime del segnale successivo in fase di ricezione, dando luogo ad interferenza fra questi simboli consecutivi (Interferenza di Inter Simbolo, ISI). Questa situazione tanto pi probabile quanto pi si lavora a BitRate elevati.

Poich non possiamo agire sui parametri del canale, dobbiamo farlo sul segnale: andremoLapo Cioni lapocioni@gmail.com

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ad aumentare il tempo di simbolo, in modo da farlo diventare maggiore del Delay Spread ed evitare di andare incontro ad ISI. Inevitabilmente avremo un drastico abbassamento del BitRate; questo inconveniente viene allora risolto mettendo in parallelo il flusso informativo su portanti ortogonali: possiamo trasmettere M simboli su M portanti

ortogonali nello stesso periodo di tempo, riguadagnando cos quanto perso in termini di BitRate con l'allungamento del tempo di simbolo, ma senza avere interferenza fra i simboli stessi. Con OFDM un segnale a banda larga viene splittato in pi segnali a banda stretta, implementando cos un'evoluzione di un sistema FDM, con il supporto di un FDM: la modulazione multiportante dovrebbe prevedere l'inserimento di Bande di Guardia, a causa della non idealit del sistema (in particolare dei filtri, detti Pulse Shaping); in un sistema ortogonale, invece, si possono prevedere sottoportanti ortogonali parzialmente sovrapposte in frequenza, come si vede dall'immagine, massimizzando cos l'efficienza spettrale. metodo di accesso al canale TDMA, ad esempio. OFDM infatti una tecnica evoluta di

Immagine 19: OFDM: sottoportanti ortogonali.

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L'efficienza spettrale dell'OFDM direttamente proporzionale al numero di sottoportanti ortogonali utilizzate; un elevato numero di sottoportanti, per, comporta anche un elevato grado di complessit del sistema: al segnale dovrebbe infatti essere applicata una conversione Serie/Parallelo, quindi il sistema dovrebbe prevedere un banco di filtri e un banco di oscillatori. Il metodo che viene utilizzato per ridurre il grado di complessit realizzativa del sistema stesso quello di effettuare in parallelo la IDFTImmagine 18: FFT: implementazione della DFT.

(Trasformata Inversa di Fourier Discreta) in trasmissione dei simboli modulati e di Come noto, poi, la trasformata DFT pu essere implementata in maniera efficiente

trasmetterli serialmente; questo equivale a trasmettere le portanti modulate OFDM. ricorrendo all'algoritmo FFT, abbattendo decisamente la complessit computazionale. In trasmissione, allora, effettueremo la IFFT, mentre in ricezione effettueremo la FFT. L'applicazione di OFDM nell'UWB secondo WiMedia prevede, come detto, il Multibanding; le differenze fondamentali fra MB-OFDM e OFDM classico sono:

- MB-OFDM , appunto, un sistema MultiBanda: al segnale viene applicata una diversit in frequenza secondo una tecnica di Frequency Hopping; il codice TFC, come visto, stabilisce i salti in frequenza, che possono essere su tre bande o su due sole bande dello stesso gruppo. Lo Spreading del segnale utile per la reiezione dell'interferenza e per la privacy, inoltre facilita l'accesso multiplo; - un simbolo MB-OFDM utilizza 128 campioni anzich i 64 dell'OFDM classico;

- il Prefisso Ciclico (CP), utilizzato per facilitare la sincronizzazione e diminuire l'ISI, viene sostituito dallo Zero Padding, che ha il vantaggio di non creare periodicit nello spettro del segnale.

Descriviamo adesso le caratteristiche pi importanti del livello MAC della piattaforma WIMedia: Livello MAC: ogni livello MAC identificato da un MAC address di tipo EUI-48Lapo Cioni lapocioni@gmail.com

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(Extended Unique Identifier-48 bit), cui associato un indirizzo 'logico' di 16 bit, detto DevAddr; il livello MAC di un dispositivo comunica con il livello PHY attraverso attraverso il MAC SAP. I principali compiti del MAC sono: l'interfaccia PHY SAP (Service Access Point) e con il livello LLC (Logical Link Control) - occuparsi del meccanismo di accesso al canale distribuito con tecnica contention-based - occuparsi del meccanismo di accesso al canale distribuito con tecnica reservation-based; - facilitare la sincronizzazione fra applicazioni coordinate; - gestire meccanismi per facilitare la mobilit; - controllare la gestione della potenza; - controllare la sicurezza della comunicazione utilizzando algoritmi di crittografia; Lo Header del frame MAC cos formato: Il campo FrameImmagine 20: Header MAC UWB MB-OFDM

Control

informazioni quali il tipo di frame e le politiche di sicurezza (compresa la crittazione) e di trasmissione dell'ACK. I frame MAC possono essere di 5 tipi: Beacon Frame, Frame di Controllo, Frame di Comando, Frame di Dati, Frame di Dati Aggregati. livello MAC. Il campo Sequence Control viene usato per gestire e controllare la frammentazione a Il principale utilizzo del campo Access Information, infine, specificare il metodo di accesso al canale, in particolare DRP o PCA. La coordinazione fra dispositivi all'interno del range radio si ottiene attraverso lo

comprende

scambio dei Beacon Frames. La struttura di rete non centralizzata, ma distribuita: ogni dispositivo ha un proprio gruppo logico (detto anche Beacon Group) formato intorno a se; questo permette di facilitare le operazioni per evitare le collisioni, distribuendo anche la gestione di questi controlli. Per unirsi ad un Beacon Group, il dispositivo scansiona i canali disponibili per la durata di una Supertrama, attendendo la ricezione di beacon di Period Start Time) specifico del gruppo e la durata del Beacon Period, quindi riesce aLapo Cioni

altri dispositivi. Una volta selezionato il canale, il dispositivo conosce il BPST (Beacon

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sincronizzarsi rispetto agli altri dispositivi del gruppo, in modo da evitare collisioni. Se il dispositivo, mentre in ascolto per la durata di una supertrama, non riceve beacon, allora attende ancora una Supertrama in ascolto, dopodich definisce un proprio BPST. I dati vengono scambiati con i membri del gruppo utilizzando lo stesso canale selezionato per definisce Extended Beacon Group del gruppo1 il gruppo esteso composto da tutti i

la trasmissione dei beacon. Il Beacon Group di ogni dispositivo definito intorno a se; si gruppi dei quali i dispositivi appartenenti al gruppo1 fanno parte; lo standard Ecma-368 non parla in nessun punto di piconet, ma utilizza, appunto, la definizione di Beacon Group; questa struttura pu essere comunque facilmente paragonata a quella del essere unite fra loro dal supporto di un nodo detto Bridge Slave, a formare delle Scatternet. Bluetooth, dove pi dispositivi BT (fino a 7) formano una Piconet e pi Piconet possono

Un BP (Beacon Period) seguito da un DP (Data Period) forma una Supertrama: questo l'intervallo periodico di tempo (di circa 65 ms) utilizzato per coordinare le trasmissioni Slots), l'inizio del primo MAS (appartenente al BP) della Supertrama il BPST.

della trama fra i dispositivi. Una Supertrama composta da 256 MAS (Medium Access

Immagine 21: Supertrama.

Vediamo come viene gestito l'accesso al mezzo: si distinguono 2 periodi: - il primo coincide con il BP, qui vengono mandati solamente i Beacon Frames e i dispositivi evitano la collisione sincronizzando opportunamente fra loro gli istanti diLapo Cioni lapocioni@gmail.com

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trasmissione rispetto al BPST, dopo aver effettuato una scansione del canale, come visto prima; - il secondo periodo di accesso al mezzo il DP (Data Period) e questo pu essere gestito attraverso prenotazioni oppure attraverso un metodo a priorit basato sulla contesa.

Immagine 22: BP e DP, trasmissione sincronizzata fra i DEVs di un BG.

La trasmissione dei dati avviene quindi durante il DP e il mezzo pu essere conteso dai due tecniche: - PCA (Prioritized Contention Access): PCA utilizza il CSMA/CA ed un metodo di

dispositivi oppure prenotato. Diamo una descrizione maggiormente dettagliata di queste

accesso al mezzo a contesa, ma differenziato, infatti ogni dispositivo distingue i propri dati in 4 categorie (AC, Access Categories); ogni categoria avr una priorit diversa nella richiesta di ottenimento del TXOP (Transmission Opportunity), ovvero il periodo di tempo durante il quale il dispositivo avr il permesso di trasmettere:

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Priorit 1 2 3 4

AC AC_BK AC_BE AC_VI AC_VO

Tipo BackGround Best Effort Video Voce

Tabella 2: Access CategoriesIl dispositivo deve considerare il mezzo non disponibile per il PCA durante il BP e

durante la durata di slot (MAS) che siano stati prenotati (la prenotazione di slot viene fatta con la tecnica DRP). Quindi un dispositivo che intende utilizzare il metodo PCA per accedere al canale non potr trasmettere quando il mezzo non sar disponibile per la contesa PCA e quando il mezzo sar occupato. Per verificare se il mezzo sia libero, si livello sul quale lavorano:

utilizza il CSMA/CA, composto di due funzioni principali, che si differenziano in base al - CCA (Clear Channel Assessment): la Carrier Sensing a livello fisico, utilizzata anche nell'802.11; permette di fare una scansione del canale in cerca della trasmissione di altri dispositivi; - NAV (Network Allocation Vector): Carrier Sensing 'virtuale' a livello MAC, il

dispositivo che ha guadagnato l'accesso al mezzo invier un'indicazione riguardo alla durata della sua trasmissione, con la quale gli altri dispositivi dovranno settare il vettore NAV; a partire da questo valore, il vettore NAV sar scalato per ogni slot temporale uguale a zero. trascorso. Ogni dispositivo potr iniziare la contesa del mezzo solo quando NAV sar

Una rappresentazione grafica pu chiarire meglio il metodo di accesso a contesa del mezzo PCA:

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Immagine 23: Accesso al mezzo in UWB MB-OFDM.

Il processo con il quale le stazioni si possono aggiudicare il mezzo per la trasmissione con il metodo PCA, come detto, un processo di contesa. Se durante un tentativo di accesso al canale, il CSMA/CA rileva che il canale occupato, il successivo tentativo di accesso al canale per la trasmissione di dati pu iniziare solo dopo l'attesa di un periodo detto AIFS (Arbitration Inter Frame Space), che funzione dell'AC alla quale appartengono i dati nel buffer in attesa di essere trasmessi: pi questi appartengono ad periodo durante il quale la stazione pu iniziare la contesa del mezzo detto CW

una AC ad elevata priorit, minore sar l'AIFS, cio l'attesa prima di iniziare la contesa. Il (Contention Window) ed variabile: ogni stazione, atteso l'AIFS, dovr settare una propria durata della CW e questa dovr appartenere ad un appropriato range delimitato da un valore minimo (CWmin) ed un valore massimo (CWmax). L'aleatoriet della CW permette di minimizzare le probabilit di collisione. All'interno della CW la stazione

potr tentare di aggiudicarsi il canale, ovvero tentare di trasmettere senza incorrere in collisioni; il tentativo di trasmissione avviene per ogni stazione ad un istante diverso, settato ad un valore casuale compreso nella CW e decrementato per ogni Time Slot; secondo un'altra variabile aleatoria detta BC (Backoff Counter): questo contatore viene quando BC raggiunge zero, la stazione tenta la trasmissione. Una volta aggiudicatasi il canale, la stazione potr trasmettere per un periodo definito TXOP. Il parametro SIFS (Short Inter Frame Spacing), inoltre, indica il limite per il Round TripTime fra due evita che vengano persi i riscontri delle trasmissioni (ACK) a causa di collisioni. stazioni. Come si pu notare dall'immagine, il SIFS molto minore di ogni AIFS, questo

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- DRP (Distributed Reservation Protocol): permette alle stazioni di prenotare uno o pi MAS per comunicare con uno o pi dispositivi vicini, ovvero quei dispositivi che appartengono allo stesso Beacon Group. I beacon trasmessi dalle stazioni sono composti da elementi detti IE (Information Element); tutte le stazioni che intendono utilizzare DRP per la trasmissione o la ricezione devono dichiarare le loro prenotazioni includendo i DRP-IE nei loro Beacon Frames. I DRP-IE contengono: i MAS da riservare, i DevAddr del proprietario e del target, il Tipo di prenotazione e un Indice associato allo stream; la negoziazione della prenotazione pu essere iniziata sia dal mittente che dal ricevente e questa stazione sar il proprietario della prenotazione, mentre l'altra sar il Reservation Target. Mittente e ricevente sono identificati dal loro DevAddr, cio un indirizzo logico associato al loro MAC Address. Sono definiti 5 tipi diversi di prenotazione: Reservation Type Alien BP

Description Un beacon in cui il BPST non sincronizzato detto Alien BP. Per proteggere questi beacon, vengono prenotati dei MAS, con delle prenotazioni dette appunto Alien BP.

Hard

Permette di ottenere accesso esclusivo al canale per il proprietario della viene poi utilizzato con trasmissioni PCA

prenotazione e il suo target. Il tempo inutilizzato di questa prenotazione Permette il PCA, ma il proprietario della prenotazione ha una priorit nell'accesso. Permette al proprietario e al target della prenotazione di ottenere

Soft

Private

accesso esclusivo al mezzo, ma in questo caso il metodo di accesso al canale non definito; il tempo inutilizzato pu essere sfruttato per trasmissione PCA.

PCA

Gli slot temporali sono utilizzati per la contesa PCA e nessuna stazione ha un accesso prioritario.

Tabella 3: Reservation Types.Lapo Cioni lapocioni@gmail.com

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Particolarmente interessante il caso di prenotazione del

Beacon Period per gli Alien Beacon: questo meccanismo caratterizza la struttura di rete definita dal MAC Layer di WiMedia, infatti la topologia della WPAN definita nello standard Ecma-368 prevede una gestione della trasmissione di un nodo coordinatore, ma la sincronizzazione gestita,

distribuita: i Beacon Group (BG) non prevedono la presenza appunto, in modo distribuito mantenendo un BPST univoco fra tutti i componenti del Beacon Group; supponendo che un nodo (B) appartenga ad un Extended Beacon Group, esso dovr mantenere la sincronizzazione con almeno due nodiImmagine 24: Extended Beacon Group.

(A e C, dove C rispetto ad A sar detto Hidden Neighbour) che apparterranno a due Beacon Group distinti; questi avranno BPST diversi, quindi B si dovr preoccupare che C, ad esempio, non gli trasmetta i Beacon Frames mentre A gli sta trasmettendo i Data di C vengono allora definiti Alien Beacon da B, che andr a prenotare dei MAS nella Supertrama del BG di A e B come Alien BP. Per la negoziazione della prenotazione possono essere utilizzati due metodi: - metodo esplicito: il proprietario e il target della prenotazione utilizzano i messaggi DRP Reservation Request e DRP Reservation Response - metodo implicito: proprietario e target utilizzano i DRP IE nei loro beacon. Lo standard Ecma-368 definisce, per le reti HR-WPAN basate su UWB, 3 politiche di Acknowledgement: ogni messaggio comprende un campo 'ACK Policy' e questo pu essere settato a: Frames, fatto che potrebbe accadere non essendo i BPST sincronizzati. I Beacon Frames

- No-ACK: il ricevente sa quindi di non dover trasmettere l'ACK relativo a quel frame e il sender assume che la trasmissione sia andata a buon fine; - Imm-ACK (Immediate Acknowledgement): il dispositivo ricevente deve rispondere ad ogni frame con un frame di Acknowledgement prima che scada il SIFS; - B-ACK (Block Acknowledgement): in questo caso permesso al dispositivo cheLapo Cioni lapocioni@gmail.com

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trasmette di inviare pi frames e attender un solo riscontro per tutto il gruppo (cumulative acknowledgement), ottimizzando l'utilizzo del canale; una politica analoga GBN (Go-Back-N). Per minimizzare le interferenze con le reti operanti alle stesse frequenze, i dispositivi nella gestione degli ACK esiste per il WiFi, gestita a livello trasporto dal TCP, ed detta

adottano delle tecniche di Power Control: viene utilizzato l'Information Element chiamato Link FeedBack, trasmesso nei Beacon Frames dal receiver di una comunicazione. Queste stato del canale; per elaborare una stima della minima potenza necessaria, il ricevitore utilizza misure quali il SNR, l'energia del segnale ricevuto, il frame error ratio e altri parametri. Questa tecnica chiamata TPC (Transmit Power Control). Inoltre ogni essere in: informazioni son utili al trasmettitore per adattare il livello di potenza in trasmissione allo

dispositivo definito anche da un proprio stato all'interno della rete in quell'istante; pu - Active Mode: il dispositivo trasmetter e ricever beacon nella supertrama corrente; un dispositivo in Active Mode pu trovarsi in uno di due distinti stati: Awake (sta trasmettendo o ricevendo) e Sleep (non sta trasmettendo o ricevendo); - Hibernation Mode: non invier beacon o altri frames nella supertrama corrente. UWB secondo WiMedia prevede anche alcuni meccanismi di sicurezza, dei quali faremo un breve elenco: UWB senz'altro una tecnologia che permette un elevato grado di di sotto della soglia del rumore di fondo, rendendolo un sistema cosiddetto a bassa probabilit di intercettazione (LPD, Low Probability Detection). Nello standard Ecma-368 sono definiti due livelli di sicurezza associati ad un frame: - No-Security, in cui non vengono applicate specifiche politiche di sicurezza; Control). sicurezza, poich la densit spettrale dei sistemi UWB giace sullo stesso piano, se non al

- Strong Security Protection (bit settato a 1 nel campo Secure all'interno del campo Frame Le politiche di sicurezza che vengono utilizzate nella seconda classe prevedono: crittazione dei dati, controllo dell'integrit del messaggio e metodi di protezione contro gli attacchi di tipo Reply. Il primo passo per stabilire una connessione sicura effettuareLapo Cioni lapocioni@gmail.com

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un Handshake a 4 vie fra i due dispositivi che vogliono comunicare: questa procedura comprende un'identificazione fra i due dispositivi e porta alla costruzione delle chiavi di crittazione, dette PTK (Pair-wise Temporal Keys); esse sono in pratica delle chiavi di sessione, costruite in funzione di una chiave segreta condivisa (Master Key). Per instaurare, invece, delle comunicazioni sicure fra tutti i membri di un Beacon Group, vengono costruite delle chiavi di sessione dette GTK (Group Temporal Keys), che proteggono i frames Broadcast e Multicast. La funzione di Message Integrity prevede un algoritmo di Hashing, che crea un crittazione, andando a definire un MIC (Message Integrity Code). EncryptionStandard) con chiavi di 128 bit.

Checksum (o Digest Message) dei dati; a questo viene poi applicato un algoritmo di La funzione di crittazione basata sull'algoritmo AES-128 (Advanced Message Integrity e Crittazione si appoggiano alla tecnica CCM (Counter Mode Encryption and Cipher Block Chaining Message Authentication Code). Counters (SFC) e Replay Counters. Per difendersi dagli attacchi di tipo reply, si utilizzano due contatori: Secure Frame Accenniamo infine agli strumenti che permetteranno la convergenza fra IP e UWB: l'integrazione dei sistemi UWB MB-OFDM con la rete IP stata prevista da WiMedia chiamata WiNet: essa permette di di un pacchetto inserire un payload Ethernet su una andando a definire un interfaccia di adattamento (dette PAL, Protocol Adaptation Layer)

trama UWB e di offrirgli le stesse funzionalit che avrebbe suImmagine 25: WiNet: UWB + IP.

Ethernet; WiNet permette di avere IP su UWB. Un gruppo di dispositivo connessi in WiNet detto WSS (WiNet Service Set), a loro la sicurezza offerta dal framework di UWB, che fornisce i servizi appena visti, mentre la QoS gestita mappando il livello diLapo Cioni lapocioni@gmail.com

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priorit del traffico IP sulle Access Categories dell'UWB e utilizzando il PCA. La piattaforma definita da WiMedia particolarmente indicata per le applicazioni multimediali; con l'integrazione di IP, possiamo pensare, ad esempio, di utilizzare UWB per lo streaming real time di audio e video, per le videochiamate (VoIP), per la comuni sistemi di files sharing come NFS e Samba e molto altro ancora. trasmissione di dati da dispositivi NAS (Network Attached Storage) attraverso i pi

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