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 giagrave assegnate e sovrapposte a quella di UWB in tal modo FCC ha autorizzato lemissione 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 199 e 106 Ghz fra 31 e 106 Ghz e nella banda dei 24 GHz Nel 2007 UWB ha poi ottenuto lapprovazione come standard internazionale ISO (International Organization for Standardization) In Europa si occupa del processo di standardizzazione lETSI (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 lutilizzo della tecnologia UWB oltre ad offrire una sintetica panoramica sulle piugrave comuni tecniche di sviluppo proposte per UWB

Cosegrave UWB

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

bull segnali molto brevi (ps o ns) quindi basso consumo di energia (caratteristica importante per tecnologie come Bluetooth ad esempio)

bull 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)

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Le caratteristiche principali della tecnologia UWB sono

bull vanta forte resistenza alle interferenze da cammini multipli (Multipath) a causa della brevitagrave dell impulso che minimizza il problema dellinterferenza tra il segnalersquo diretto e quelli riflessi durante il percorso

bull vanta capacitagrave di penetrazione attraverso gli ostacoli i picchi di assorbimento di ostacoli metallici sono solitamente concentrati su bande di frequenza relativamente strette mentre i brevi impulsi dellUWB sono distribuiti su bande ultralarghe

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

bull il BitRate puograve raggiungere lordine dei Gbps bull la copertura radio egrave dellordine di poche decine di metri si parla quindi di WPAN

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

bull Banda Relativa gt= 02 bull Banda Assoluta (a -10 dB) gt= 500 MHz

La Banda Relativa egrave definita come

dove fh e fl sono rispettivamente la frequenza superiore e inferiore

Lo studio di UWB

Il Work Group 80215 dellIEEE si occupa dello sviluppo di tecnologie Wireless per reti di tipo PAN (Personal Area Network) il WG egrave suddiviso in piugrave Task Group fra i quali

bull 802153 reti ad elevato DataRate (HR-WPAN)bull 802154 reti a basso DataRate (LR-WPAN)

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η=2(fh-fl)(fh+fl)

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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 802153a si era poi concentrato su soluzioni basate su UWB ma il suo lavoro egrave stato interrotto (almeno momentaneamente) nel Gennaio 2006 lasciando lereditagrave ai consorzi WiMedia Alliance e UWB Forum che hanno focalizzato lo sviluppo dei loro progetti sulle tecniche

bull MB-OFDM (MultiBand Ortogonal Frequency Division Multiplexing) per WiMedia Alliance

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

Bluetooth SIG (Special Interest Group) ha scelto (nel marzo 2006) la tecnologia MB-OFDM sostenuta da WiMedia per lo sviluppo del BT lo stesso ha fatto USB-IF (Implementers Forum) per lo sviluppo dellUSB Wireless anche lo standard IEEE 1394 diventeragrave senza fili con il nome di Wireless FireWire Nella convergenza Bluetooth-UWB si utilizzano i livelli MAC e Fisico dellUWB e i livelli superiori del Bluetooth la versione 30 di BT egrave denominata Seattle

IEEE Task Group 4 connesso al Consorzio ZigBee Alliance si occupa invece dello sviluppo del livello Fisico per applicazioni a piugrave 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

bull TH-PPM (Time Hopping Pulse Position Modulation)

bull CSS (Chirp Spread Spectrum)

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Immagine 1 Stack UWB integrato in tecnologie diffuse

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Lo sviluppo di soluzioni tecnologiche per il HR-WPAN (High Rate) appoggiate allUWB egrave quindi il principale obiettivo del Task Group 802153 dellIEEE 802154 si occupa invece delle trasmissioni a basso BitRate (LR-WPAN) gestendo le bande di frequenza piugrave basse per lUWB in particolare

Banda di frequenza Nr di canali Data Rate868 MHz 1 20 kbps915 MHz 10 40 kbps24 GHz 16 250 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 802154 ha scelto alla fine del 2006 con la pubblicazione del draft standard 802154a CSS (Chirp Spread Spectrum banda ISM a 245 GHz)

Deve essere sottolineato che WiMedia e ZigBee non sono dirette concorrenti esse infatti propongono soluzioni per reti di tipo diverso ad elevata velocitagrave 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 rispettivamente esse si basano infatti su tipologie di rete molto simili In ultima analisi va perograve 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 HR-WPAN ma Very High Rate-WPAN La storia delle reti di telecomunicazioni ci mostra come le nuove applicazioni abbiano necessitagrave 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 lutilizzo di trasmissioni monobanda

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vengono trasmessi impulsi di durata brevissima (ns) che occupano tutta la banda mantenendo una densitagrave spettrale di potenza molto bassa (detto anche metodo Carrier-Free)La tecnica MB-OFDM di Wi-Media prevede invece una trasmissione Multi-Banda la banda egrave suddivisa in piugrave canali e si salta da una banda di trasmissione ad unaltra in funzione di un codice

La tecnica TH-PPM egrave 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 Lutilizzo di questi metodi comporta perograve unelevata complessitagrave sia nei ricevitori che nei convertitori ADC Unalternativa a questi metodi egrave la tecnica Pulsed Multiband si basa sempre sullinvio di impulsi di durata brevissima ma ogni impulso puograve avere una frequenza diversa cioegrave appartenere ad una banda diversaMB-OFDM va oltre introduce lefficienza spettrale dellOFDM in aggiunta al Multibanding il punto cruciale di UWB egrave 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 Lutilizzo di tutta la banda viene quindi ottimizzato con una suddivisione del canale sia nel tempo che in frequenza I simboli OFDM vengono trasmessi utilizzando una sotto-banda per ogni Time SlotMB-OFDM permette quindi di utilizzare uno spettro amplissimo (riuscendo a trasmettere con Densitagrave 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 ricevitore con singoli segnali che abbiano una larghezza di banda ridotta (528 MHz) riducendo in tal modo la loro complessitagrave

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

Ogni simbolo OFDM egrave preceduto da una sequenza chiamata Zero-Padding e succeduto da un intervallo di guardia MB-OFDM verragrave analizzata piugrave accuratamente in seguito UWB egrave la prima tecnologia che sia stata approvata a livello mondiale per operare su frequenze giagrave assegnate questa novitagrave egrave estremamente rilevante tanto piugrave in una situazione come quella attuale dove cegrave sempre maggior necessitagrave e minor disponibilitagrave di banda libera Per poter permettere una sovrapposizione delle frequenze sono state imposte rigide normative allUWB riguardo le emissioni di potenza riportiamo la maschera di emissione prevista da FCC per gli USA

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Immagine 2 Diagramma di temporizzazione dei pacchetti in funzione del TFC

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Nel grafico sono considerate le emissioni in termini di EIRP (Equvalent Isotropically Radiated Power dBmMHz) per le comunicazioni INDOOR e si puograve notare come le emissioni elettromagnetiche possano raggiungere un massimo di circa -413 dBmMHz nella banda 31-106 GHz (circa 75 nWMHz quindi ipotizzando di utilizzare tutti i 75 GHz si ottiene una potenza media di circa 056 mW) mentre non possano superare i -75 dBmMHz nella banda in cui egrave presente anche il GPS (096-161 GHz)La tecnologia UWB puograve 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 egrave concentrato sulle reti HR-WPAN e in particolare sulle soluzioni proposte da WiMedia per poterle meglio analizzare e confrontare facciamo comunque una breve panoramica sulle tecniche utilizzate da UWB-Forum

UWB Forum Si occupa dello studio di tecniche per lintegrazione di UWB in reti di tipo Very High

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Immagine 3 Emission Mask per UWB in USA FCC

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Data Rate PAN (da 28 a 1320 Mbps in funzione anche della distanza) La tecnica di base egrave il DS-CDMA lallargamento di banda viene quindi ottenuto tramite il Direct Sequence Spread Spectrum e laccesso multiplo al canale gestito con il Code Division Multiple Access la gestione del mezzo a divisione di codice fra gli utenti egrave una delle differenze piugrave marcate rispetto alla tecnica WiMedia che utilizza una divisione di tempo con temporizzazione sincrona (TDMA) o asincrona (CSMACA)I motivi per cui egrave importante lallargamento dello spettro sono fondamentalmente tre la reiezione dellinterferenza la privacy e in ultima analisi la facillitazione per laccesso multiplo Alternativa alla DS egrave la tecnica di Spread Spectrum detta FH (Frequency Hopping) piugrave efficace ma anche molto piugrave complessa rispetto a DSSS UWB Forum ha quindi puntato sulla tecnica DSSS anche per motivi di semplicitagrave lo spreading espande il segnale in una banda maggiore ma stavolta questo non viene fatto con i salti in frequenza bensigrave utilizzando una sequenza di spreading che trasforma ciascun bit (attraverso loperazione di XOR) in un Chip Al ricevitore viene fatta loperazione inversa per ricavare il segnale originale si opera il de-spreading e si demodula il segnaleLa tecnica DS-UWB prevede lutilizzo di ricevitori di tipo Rake Hard Decision per sfruttare leffetto Multipath del canale Trasformare il Bit in Chip vuol dire diminuire il tempo di simbolo questo equivale a spalmare la densitagrave di potenza del segnale su uno spettro piugrave 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 lutilizzo di un Codice per la distinzione dei vari utenti durante loperazione di accesso al mezzo condiviso infatti la Spreading Sequence puograve diventare allo stesso tempo anche Codice con il nome di Spreading Code ottenendo cosigrave unottimizzazione delle risorse Il segnale a spettro espanso risulteragrave indistinguibile dal rumore per chi non conosce la sequenza Pseudo Noise con cui decodificarlo Per di piugrave il segnale codificato in questo modo saragrave anche resistente alle interferenze e allo stesso tempo facile da decodificare infatti in ricezione si effettua loperazione 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 cosigrave le operazioni di filtraggio degli altri segnali spreadare le eventuali

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interferenze a banda stretta che il segnale puograve aver subito durante la trasmissione equiparandole in tal modo al rumore di fondo facile da filtrare appuntoIl DS-CDMA puograve operare in due bande indipendenti 31-485 GHz e 62-97 GHz allinterno di ogni banda sono supportati fino a 6 canali con codici di accesso e frequenze di lavoro univocheUn sistema DS-CDMA egrave quindi composto da due susseguenti modulazioni una modulazione primaria che nella proposta dellUWB Forum egrave principalmente la BPSK e una modulazione secondaria propria della tecnica di Spreading DS-CDMA attraverso il Codice di Spreading In alternativa puograve essere opzionalmente usata la modulazione Q-BOK o 4-BOK (Quaternary Bi-Orthogonal Keying) dove ogni simbolo trasmette 2 bit ottenendo unefficienza maggiore al costo di un maggiore BER (Bir Error Rate)La soluzione proposta da UWB Forum prevede inoltre una Codifica convoluzionale a Controllo dErrore (FEC) introducendo una ridondanza di 12 o di 34 per rendere ancora piugrave robusta la trasmissione Si utlizzano dei registri a scorrimento per implementare la codifica convoluzionale (ovvero una codifica con memoria dove luscita egrave funzione sia dellingresso che dello stato precedente)

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Passiamo ad analizzare in maggior dettaglio la proposta di UWB secondo WiMedia Alliance

Facciamo dapprima alcune precisazioni che ci permetteranno di capire meglio lUWB 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 estensione massima egrave approssimativamente 10 metri altra caratteristica fondamentale delle WPAN egrave lassenza di dispositivi che agiscano esclusivamente da Access Point ovvero di dispositivi che si occupano in modo esclusivo di gestire laccesso alla rete le WPAN sono infatti reti Ad-Hoc dove la comunicazione egrave di tipo peer-to-peer Gli standard 802153 ad ogni modo prevedono la possibilitagrave 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) egrave anche la soluzione scelta da WiMedia in aggiunta ad una temporizzazione asincrona di tipo CSMACA Proprio il supporto del TDMA richiede quindi una sincronizzazione fra le stazioni della rete (i peers) la topologia della rete definita dallo standard 802153 (che descrive le specifiche per una rete WPAN basata su un PHY che lavora a 24 GHz quindi in banda ISM)

definisce il gruppo di peers allinterno 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

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 daccesso La rete WPAN definita dallIEEE egrave quindi una rete a controllo centralizzatoLa proposta UWB Forum fa uso del MAC dellIEEELa proposta di WIMedia che estende anchessa la rete WPAN definita dal Task Group 802153 allutilizzo di UWB egrave 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 l802153 nella topologia di rete sta nel controllo per WiMedia il controllo egrave totalmente distribuito (si parla di MAC distribuito all is ad-hoc) e non viene definito un controllore del Beacon Group (BG) duale al PNC dellIEEE I beacon vengono trasmessi in broadcast a tutti i devices del BG che si coordinano fra loro per definire un BPST (Beacon Period Start Time) univoco cioegrave per sincronizzarsiIl punto cardine della porposta WiMedia egrave ladozione della tecnica MB-OFDM che permette di combinare i vantaggi dei sistemi MultiBanda come le tecniche di Frequency

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Immagine 4 Una Piconet definita nello std 802153 prevede la presenza di un PNC

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Diversity con la robustezza dellOFDM in presenza di canali affetti da Multipath la proposta WiMedia come detto egrave stata scelta per lo sviluppo sia di dispositivi Bluetooth di terza generazione che USB Wireless Ladozione dellUWB come livello fisico per entrambe le tecnologie porteragrave a notevoli cambiamenti USB infatti passeragrave da tecnologia wired a wireless mentre BT avragrave come maggiore beneficio rispetto al passato un notevole incremento della velocitagrave 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 dellUWB in applicazioni High Rate) e -369 (per la definizione di uninterfaccia PHY-MAC basata sullo standard 368) Lobiettivo di WiMedia Alliance egrave sviluppare una piattaforma radio comune per il supporto di applicazioni multiple (es Wireless USB Bluetooth Wireless FireWire IP) basata su UWB Lobiettivo dellinteroperabilitagrave 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 dellUWB WiMCA definisce alcune politiche per lutilizzo 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 egrave fermo o in movimento la rete puograve raggiungere fino 10 metri e permette ad un elevato numero di strumenti digitali allinterno di questo range di copertura di comunicare fra di loro Uno degli obiettivi piugrave importanti del lavoro di WiMedia Alliance egrave il supporto per le applicazioni multimediali (la piattaforma UWB WiMedia egrave infatti definita dal consorzio stesso come una piattaforma application-friendly) UWB permette di ottimizzare la connettivitagrave wireless fra vari dispositivi multimediali allinterno di una WPAN La particolaritagrave di UWB che egrave la prima tecnologia che si propone di lavorare sopra frequenze giagrave occupate egrave la sua ottemperanza a svariati requisiti tecnologici e di mercato egrave 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 TCPIP egrave demandata ad un Protocol Adaptation Layer (PAL) chiamato WLP

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(WiMedia Link Control Protocol) o anche WiNetIP (WiMedia Network IP)Siamo particolarmente interessati agli sviluppi della piattaforma UWB di WiMedia poichegrave risulta essere la soluzione giagrave scelta per il futuro di tecnologie ampiamente utilizzate come Bluetooth e USB tenendo in considerazione che questa non ha lobiettivo di rimpiazzare altri standard wireless IEEE come 80211 (Wi-Fi) 802151 (Bluetooth) o 802154 (ZigBee) ma di essere rispetto a questi una soluzione complementareWiMedia ha scelto MB-OFDM per lo sviluppo della sua piattaforma in quanto questo permette di ottenere alcuni benefici fra i quali- minime emissioni fuori banda ed emissioni in banda controllabili- complessitagrave realizzativa minore (specie dei ricevitori e dei convertitori ADC) rispetto allimpiego di TH-PPM e DS-CDMA- maggior resistenza allISI- MB-OFDM egrave risultata migliore rispetto a DS-UWB nel catturare lenergia dispersa in un canale multipath

Analiziamo le soluzioni proposte da WiMedia e formalizzate nello standard Ecma-368

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Come schema di modulazione per trasmettere linformazione 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 Sono supportate le tecniche di Spreading FD (Frequency Domain) e TD (Time Domain) e una codifica FEC (Forward Error Correction) per adattarsi al meglio alle condizioni del canaleIl sottolivello MAC (Medium Access Control) si occupa di gestire la mobilitagrave e fornisce schemi a prioritagrave 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) laccesso TDMA permette traffico isosincrono e utilizza il protocollo DRP (Distributed Reservation Protocol) mentre il traffico asincrono egrave gestito in CSMACA (Carrier Sense Multiple AccessCollision Avoidance) ed utilizza il protocollo PCA (Prioritized Contention Access) questo egrave un accesso a prioritagrave dove il dispositivo che ottiene il canale ha un intervallo di tempo durante il quale gli egrave permesso trasmettere detto TXOP (Transmission Opportunity) Questa distinzione nella gestione degli accessi al mezzo egrave utilizzata anche in altre tecnologie come l80211 che distingue due periodi di accesso CP (Contention Period) che utilizza la tecnica DCF (Distributed Coordination Function) dove il mezzo viene conteso in modo paritario dai dispositivi e CFP (Contention Free Period) che invece utilizza la tecnica PCF (Point Coordination Function) e permette una gestione di tipo polling

Vediamo le principali caratteristiche dei livelli PHY e MACLivello Fisico (PHY) lUWB per HR-WPAN definito nello standard Ecma-368 utilizza una banda che va da 31 a 106 GHz con trasmissione multirate 533 - 80 - 1067 - 160 - 200 - 320 - 400 - 480 Mbs Come visto la banda di frequenza egrave divisa in 14 sottobande raggruppate in 5 gruppi (egrave 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 egrave il seguente

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Per il nostro dispositivo UWB egrave sufficiente supportare almeno una di queste bande La suddivisione dello spettro in bande di 528 Mhz e lutilizzo di Hopping Pattern distribuiti su 3 bande porta ad un abbassamento del Duty Cicle di 13 quindi ad una riduzione della potenza media trasmessa di un fattore 3 cioegrave 477 dB per questo FCC ha rivisto i limiti di emissioni imposti portando la soglia della maschera di emissione da -413 dBmMHz a -365 dBmMHz con lutilizzo 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 puograve avere rate di codifica 13 12 58 o 34 esso viene variato applicando la procedura di Puncturing ovvero omettendo alcuni bit codificati al trasmettitorePer supportare piugrave piconet simultaneamente i dati vengono spreadati su una banda di frequenza piugrave larga utilizzando la tecnica TFC (Time Frequency Code) linformazione puograve essere

1 interlacciata su 3 bande TFI (Time Frequency Interleaving) si tratta di una tecnica di frequency hopping come la seguente

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 egrave una tecnica di Spreading del segnale sullo spettro viene definito uno schema di salto (Hopping Pattern descritto da un codice detto appunto Time Frequency Code) in funzione del metodo utilizzato (TFITFI2FFI) con TFI il pattern dei salti egrave distribuito su 3 bande allinterno dello stesso gruppo mentre nel

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

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

Il livello PHY egrave suddiviso a sua volta in due sottolivelli- Sottostrato PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) adatta la capacitagrave dei dispositivi dipendenti dal mezzo ai servizi dello strato fisico- Sottostrato PMD (Physical Medium Dependent) provvede allinvio e ricezione di dati tra due o piugrave stazioni PMD si interfaccia con il livello MAC attraverso linterfaccia PLCP

Le unitagrave 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 linterfaccia fra il livello MAC e quelli superiori- PSDU (PHY Service Data Unit) sono le informazioni scambiate attraverso il PSAP (PHY Service Access Point) ovvero linterfaccia fra livello PHY e livello MAC- MPDU (MAC Protocol Data Unit) le unitagrave informative scambiate fra due livelli MAC di due dispositivi distinti- PPDU (PLCP Protocol Data Unit) le unitagrave infromative scambiate fra due livelli PHY di due dispositivi distinti in particolare fra i sottolivelli PLCP

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Immagine 7 Pila protocollare ISOOSI UWB occupa i livelli PHY e MAC

Analiziamo il sottostrato PLCP lunitagrave informativa associata a questo sottostrato come detto egrave il PPDU definito come nellimmagine 8

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Immagine 8 Formato del frame PPDU

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Senza entrare nei dettagli di ogni campo del pacchetto PPDU facciamo alcune considerazioni il compito del sottostrato PLCP egrave trasformare attraverso linserimento di Preambolo e Header un PSDU in un PPDU esso egrave quindi composto di 3 elementi fondamentali1_ un Preambolo PLCP (che ha lo scopo di facilitare la sincronizzazione e la stima del canale)2_ il PLCP Header (che comprende lheader del PHY e lheader 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 lapplicazione del FEC tramite un codice Reed-Solomon)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 vengono processati da uno Scrambler ottenendo delle sequenze noise-like che possono quindi essere codificate con maggior efficacia)

Prima di essere modulata la PSDU viene quindi sottoposta a- Scrambling (effettua la dispersione di energia eliminando le periodicitagrave e scorrelando in tal modo il segnale rende la sequenza noise-like facilitando la codifica)- Codifica Convoluzionale R-S (introduce ridondanza rendendo il segnale piugrave robusto contro gli errori introdotti dal canale distribuiti in modo uniforme)- Interleaving (modifica la sequenza dei bit rendendola piugrave resistente ad errori distribuiti a burst)

Linterlacciamento in particolare egrave una fase particolarmente delicata e complessa la catena di Interleaving egrave infatti composta da 3 blocchi

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il Symbol Interleaver fornisce una diversitagrave 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 diversitagrave 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) su due differenti sottoportantiTDS ripete lintero simbolo OFDM su due

consecutivi time slotQuindi TDS abbatte il DataRate di un fattore 2 mentre FDS+TDS lo abbatte di un fattore 4

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 negrave la prima negrave la seconda tecnica vengono utilizzate quando si sale oltre i

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Immagine 10 Le tecniche di Spreading variano in funzione della frequenza

Immagine 9 I 3 stadi dellinterlacciamento

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200 Mbps (questo perchegrave oltre i 200 Mbps viene cambiata modulazione anzichegrave la QPSK si utilizza infatti la DCM che attua intrinsecamente una diversitagrave in frequenza)

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

Nella modulazione QPSK i bit vengono divisi in gruppi di due convertiti in numeri complessi e associati ognuno ad un punto sulla costellazione definita dalla codifica Gray

Per ottenere elevati DataRate si fa ricorso anche alla tecnica di Puncturing questa perograve riduce leffettiva efficacia della codifica convoluzionale (FEC) La modulazione DCM viene usata principalmente per mitigare limpatto del fading selettivo in frequenza senza abbattere il DataRate modulando i simboli a coppie DCM introduce una tecnica di diversitagrave in frequenza riducendo cosigrave la dipendenza dal FEC

Su canali affetti da Multipath nei quali nessuna componente delle repliche egrave 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 punti) convertendolo di fatto in 2 numeri complessi ogni gruppo di 4 bit viene mappato in due simboli spreadando cosigrave lenergia di ogni bit informativo e attuando in tal modo una tecnica a diversitagrave

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Immagine 11 Modulazione QPSK

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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 cosigrave intatto il DataRate offerto dalla modulazione I due simboli risultanti per ogni gruppo di 4 bit vengono mappati in due toni IFFT distanti luno dallaltro 50 toni nella pratica questo vuol dire che i due toni sono distanto almeno 200 MHz per questo motivo DCM egrave efficace contro il fading selettivo in frequenza grazie anche alla grande disponibilitagrave di banda che ha la tecnologia UWB infatti la probabilitagrave che ci sia un fading profondo a entrambe le frequenze egrave molto bassa

La catena del trasmettitore MB-OFDM egrave cosigrave formata

Immagine 13 Sistema di trasmissione MB-OFDM Dopo FDSTDS (opzionale) gruppi di 100 simboli vengono composti (nelloperazione 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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Immagine 12 Modulazione DCM

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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 allinizio del simbolo OFDM questa tecnica egrave un metodo per combattere lISI (Inter-Symbol Interference) MB-OFDM utilizza invece la tecnica Zero-Padding (ZP) alla fine di ogni simbolo OFDM viene aggiunto un suffisso composto da un certo numero di zeri i due maggiori benefici sono1_ risparmio di energia trasmettendo solo zeri2_ si eliminano le periodicitagrave nello spettro OFDM dovute al prefisso ciclico (Ripple)Al ricevitore perograve egrave necessario eseguire una procedura di OverLapampAdd (OLA) prima di fare la FFT e questo introduce correlazione fra i campioni oltre ad una complessitagrave di sistema maggioreA 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 ADC2_ si rimuove lintervallo di guardia attraverso la procedura di OverlapampAdd3_ viene fatta una stima di canale ai minimi quadrati (LSE Least Squares Error) utilizzando i 2 simboli pilota OFDM trasmessi per ogni banda allinterno dellheader del pacchetto (egrave stata scelta la stima LSE anzichegrave la stima MMSE (Minimum Mean Squared Error) poichegrave la prima non richiede alcuna assunzione statistica sulla risposta impulsiva del canale)4_ si effettua la FFT e successivamente il Deframing5_ si passa alle operazioni di Diversity Combining se sono state utilizzate tecniche di spreading (TDS eo FDS) si applica il MRC (Maximum Ratio Combining) metodo

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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 cegrave bisogno della stima di canale) e amplificate (o attenuate) di un fattore proporzionale allintensitagrave del segnale (le repliche che arrivano al ricevitore con intensitagrave maggiore verranno ulteriormente amplificate e viceversa)

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 infatti avragrave bisogno di una demodulazione coerente un anello di aggancio di fase (PLL Phase Lock Loop) si occuperagrave allora di recuperare la fase della portante7_ successivamento i bit vengono Deinterlacciati e quindi si applica il Depuncturer per ristabilire il Rate di Codifica che permetteragrave il giusto funzionamento al Decodificatore Viene utilizzato un decodificatore di Viterbi che utilizza la stima ML (Maximum Likelihood) con decodifica iterativa8_ infine i bit vengono processati dal Descrambler per ottenere i valori trasmessiLa catena di TXRX completa egrave quindi la seguente

Illustrazione 16 Catena di trasmissionericezione MB-OFDM

La portante viene inserita attraverso il Time-Frequency Interleaving Kernel che implementa il TFC modificando la frequenza della portante per ogni Time-Slot questa egrave 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 produrragrave portanti con frequenze 3432 GHz 3960 GHz o 4488 GHz corrispondenti alle

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Immagine 15 MRC

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frequenze centrali delle 3 sottobande che compongono il primo gruppo verranno utilizzate tutte e tre le frequenze con lalgoritmo TFI due sole frequenze con il TFI2 o ununica frequenza se utiliziamo FFI

Facciamo un approfondimento sul punto focale della proposta WiMedia ovvero il MultiBand OFDM OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) egrave una tecnica di modulazione multiportante basata su portanti ortogonali molto apprezzata per lelevata efficienza spettrale e ladattabilitagrave a canali ostili soprattutto con elevati bitrate come vedremo inoltre un vantaggio fondamentale dellOFDM egrave la semplicitagrave di implementazione OFDM egrave giagrave utilizzato in ADSL DAB e DVB WiMax e Wireless LAN come 80211g Lutilitagrave di OFDM egrave facilmente osservabile quando si va a fare unanalisi del modello del canale per sistemi radio a causa di riflessioni e diffrazioni dovute ad ostacoli nel cammino il segnale giunge al ricevitore da piugrave percorsi (MultiPath) ognuno con un differente ritardo Il canale puograve essere caratterizzato dalla sua Risposta Impulsiva che avragrave 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 procedura di Combining (ad esempio con un MRC) Se il Delay Spread del canale egrave 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 egrave tanto piugrave probabile quanto piugrave si lavora a BitRate elevati

Poichegrave non possiamo agire sui parametri del canale dobbiamo farlo sul segnale andremo

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Illustrazione 17 Delay Spread di un canale radio

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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 cosigrave quanto perso in termini di BitRate con lallungamento del tempo di simbolo ma senza avere interferenza fra i simboli stessi Con OFDM un segnale a banda larga viene splittato in piugrave segnali a banda stretta implementando cosigrave unevoluzione di un sistema FDM con il supporto di un metodo di accesso al canale TDMA ad esempio OFDM egrave infatti una tecnica evoluta di FDM la modulazione multiportante dovrebbe prevedere linserimento di Bande di Guardia a causa della non idealitagrave 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 dallimmagine massimizzando cosigrave lefficienza spettrale

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Immagine 19 OFDM sottoportanti ortogonali

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Lefficienza spettrale dellOFDM egrave direttamente proporzionale al numero di sottoportanti ortogonali utilizzate un elevato numero di sottoportanti perograve comporta anche un elevato grado di complessitagrave del sistema al segnale dovrebbe infatti essere applicata una conversione SerieParallelo quindi il sistema dovrebbe prevedere un banco di filtri e un banco di oscillatoriIl metodo che viene utilizzato per ridurre il grado di complessitagrave realizzativa del sistema stesso egrave quello di effettuare in parallelo la IDFT (Trasformata Inversa di Fourier Discreta) in trasmissione dei simboli modulati e di trasmetterli serialmente questo equivale a trasmettere le portanti modulate OFDMCome noto poi la trasformata DFT puograve essere implementata in maniera efficiente ricorrendo allalgoritmo FFT abbattendo decisamente la complessitagrave computazionale In trasmissione allora effettueremo la IFFT mentre in ricezione effettueremo la FFTLapplicazione di OFDM nellUWB secondo WiMedia prevede come detto il Multibanding le differenze fondamentali fra MB-OFDM e OFDM classico sono- MB-OFDM egrave appunto un sistema MultiBanda al segnale viene applicata una diversitagrave 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 egrave utile per la reiezione dellinterferenza e per la privacy inoltre facilita laccesso multiplo- un simbolo MB-OFDM utilizza 128 campioni anzichegrave i 64 dellOFDM classico- il Prefisso Ciclico (CP) utilizzato per facilitare la sincronizzazione e diminuire lISI viene sostituito dallo Zero Padding che ha il vantaggio di non creare periodicitagrave nello spettro del segnale

Descriviamo adesso le caratteristiche piugrave importanti del livello MAC della piattaforma WIMediaLivello MAC ogni livello MAC egrave identificato da un MAC address di tipo EUI-48

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Immagine 18 FFT implementazione della DFT

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(Extended Unique Identifier-48 bit) cui egrave associato un indirizzo logico di 16 bit detto DevAddr il livello MAC di un dispositivo comunica con il livello PHY attraverso linterfaccia PHY SAP (Service Access Point) e con il livello LLC (Logical Link Control) attraverso il MAC SAP I principali compiti del MAC sono - 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 mobilitagrave- controllare la gestione della potenza- controllare la sicurezza della comunicazione utilizzando algoritmi di crittografia

Lo Header del frame MAC egrave cosigrave formato

Il campo Frame Control comprende

informazioni quali il tipo di frame e le politiche di sicurezza (compresa la crittazione) e di trasmissione dellACK I frame MAC possono essere di 5 tipi Beacon Frame Frame di Controllo Frame di Comando Frame di Dati Frame di Dati AggregatiIl campo Sequence Control viene usato per gestire e controllare la frammentazione a livello MACIl principale utilizzo del campo Access Information infine egrave specificare il metodo di accesso al canale in particolare DRP o PCALa coordinazione fra dispositivi allinterno del range radio si ottiene attraverso lo scambio dei Beacon Frames La struttura di rete non egrave 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 altri dispositivi Una volta selezionato il canale il dispositivo conosce il BPST (Beacon Period Start Time) specifico del gruppo e la durata del Beacon Period quindi riesce a

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Immagine 20 Header MAC UWB MB-OFDM

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sincronizzarsi rispetto agli altri dispositivi del gruppo in modo da evitare collisioni Se il dispositivo mentre egrave in ascolto per la durata di una supertrama non riceve beacon allora attende ancora una Supertrama in ascolto dopodichegrave definisce un proprio BPST I dati vengono scambiati con i membri del gruppo utilizzando lo stesso canale selezionato per la trasmissione dei beacon Il Beacon Group di ogni dispositivo egrave definito intorno a se si definisce Extended Beacon Group del gruppo1 il gruppo esteso composto da tutti i 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 puograve essere comunque facilmente paragonata a quella del Bluetooth dove piugrave dispositivi BT (fino a 7) formano una Piconet e piugrave Piconet possono essere unite fra loro dal supporto di un nodo detto Bridge Slave a formare delle ScatternetUn BP (Beacon Period) seguito da un DP (Data Period) forma una Supertrama egrave questo lintervallo periodico di tempo (di circa 65 ms) utilizzato per coordinare le trasmissioni della trama fra i dispositivi Una Supertrama egrave composta da 256 MAS (Medium Access Slots) linizio del primo MAS (appartenente al BP) della Supertrama egrave il BPST

ndash

Immagine 21 Supertrama

Vediamo come viene gestito laccesso 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 di

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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 egrave il DP (Data Period) e questo puograve essere gestito attraverso prenotazioni oppure attraverso un metodo a prioritagrave basato sulla contesa

La trasmissione dei dati avviene quindi durante il DP e il mezzo puograve essere conteso dai dispositivi oppure prenotato Diamo una descrizione maggiormente dettagliata di queste due tecniche

- PCA (Prioritized Contention Access) PCA utilizza il CSMACA ed egrave un metodo di accesso al mezzo a contesa ma differenziato infatti ogni dispositivo distingue i propri dati in 4 categorie (AC Access Categories) ogni categoria avragrave una prioritagrave diversa nella richiesta di ottenimento del TXOP (Transmission Opportunity) ovvero il periodo di tempo durante il quale il dispositivo avragrave il permesso di trasmettere

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

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Prioritagrave AC Tipo1 AC_BK BackGround2 AC_BE Best Effort3 AC_VI Video4 AC_VO Voce

Tabella 2 Access Categories

Il 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 potragrave trasmettere quando il mezzo non saragrave disponibile per la contesa PCA e quando il mezzo saragrave occupato Per verificare se il mezzo sia libero si utilizza il CSMACA composto di due funzioni principali che si differenziano in base al livello sul quale lavorano- CCA (Clear Channel Assessment) egrave la Carrier Sensing a livello fisico utilizzata anche nell80211 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 laccesso al mezzo invieragrave unindicazione 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 saragrave scalato per ogni slot temporale trascorso Ogni dispositivo potragrave iniziare la contesa del mezzo solo quando NAV saragrave uguale a zero

Una rappresentazione grafica puograve 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 egrave un processo di contesa Se durante un tentativo di accesso al canale il CSMACA rileva che il canale egrave occupato il successivo tentativo di accesso al canale per la trasmissione di dati puograve iniziare solo dopo lattesa di un periodo detto AIFS (Arbitration Inter Frame Space) che egrave funzione dellAC alla quale appartengono i dati nel buffer in attesa di essere trasmessi piugrave questi appartengono ad una AC ad elevata prioritagrave minore saragrave lAIFS cioegrave lattesa prima di iniziare la contesa Il periodo durante il quale la stazione puograve iniziare la contesa del mezzo egrave detto CW (Contention Window) ed egrave variabile ogni stazione atteso lAIFS dovragrave settare una propria durata della CW e questa dovragrave appartenere ad un appropriato range delimitato da un valore minimo (CWmin) ed un valore massimo (CWmax) Laleatorietagrave della CW permette di minimizzare le probabilitagrave di collisione Allinterno della CW la stazione potragrave 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 secondo unaltra variabile aleatoria detta BC (Backoff Counter) questo contatore viene settato ad un valore casuale compreso nella CW e decrementato per ogni Time Slot quando BC raggiunge zero la stazione tenta la trasmissione Una volta aggiudicatasi il canale la stazione potragrave trasmettere per un periodo definito TXOP Il parametro SIFS (Short Inter Frame Spacing) inoltre indica il limite per il Round TripTime fra due stazioni Come si puograve notare dallimmagine il SIFS egrave molto minore di ogni AIFS questo evita che vengano persi i riscontri delle trasmissioni (ACK) a causa di collisioni

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- DRP (Distributed Reservation Protocol) permette alle stazioni di prenotare uno o piugrave MAS per comunicare con uno o piugrave 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 puograve essere iniziata sia dal mittente che dal ricevente e questa stazione saragrave il proprietario della prenotazione mentre laltra saragrave il Reservation Target Mittente e ricevente sono identificati dal loro DevAddr cioegrave un indirizzo logico associato al loro MAC Address Sono definiti 5 tipi diversi di prenotazione

Reservation Type

Description

Alien BPUn beacon in cui il BPST egrave non sincronizzato egrave detto Alien BP Per proteggere questi beacon vengono prenotati dei MAS con delle prenotazioni dette appunto Alien BP

HardPermette di ottenere accesso esclusivo al canale per il proprietario della prenotazione e il suo target Il tempo inutilizzato di questa prenotazione viene poi utilizzato con trasmissioni PCA

Soft Permette il PCA ma il proprietario della prenotazione ha una prioritagrave nellaccesso

Private

Permette al proprietario e al target della prenotazione di ottenere accesso esclusivo al mezzo ma in questo caso il metodo di accesso al canale non egrave definito il tempo inutilizzato puograve 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

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Particolarmente interessante egrave 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 distribuita i Beacon Group (BG) non prevedono la presenza di un nodo coordinatore ma la sincronizzazione egrave gestita 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 dovragrave mantenere la sincronizzazione con almeno due nodi (A e C dove C rispetto ad A saragrave detto Hidden Neighbour) che apparterranno a due Beacon Group distinti questi avranno BPST diversi quindi B si dovragrave preoccupare che C ad esempio non gli trasmetta i Beacon Frames mentre A gli sta trasmettendo i Data Frames fatto che potrebbe accadere non essendo i BPST sincronizzati I Beacon Frames di C vengono allora definiti Alien Beacon da B che andragrave a prenotare dei MAS nella Supertrama del BG di A e B come Alien BPPer 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 puograve essere settato a- No-ACK il ricevente sa quindi di non dover trasmettere lACK 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 egrave permesso al dispositivo che

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Immagine 24 Extended Beacon Group

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trasmette di inviare piugrave frames e attenderagrave un solo riscontro per tutto il gruppo (cumulative acknowledgement) ottimizzando lutilizzo del canale una politica analoga nella gestione degli ACK esiste per il WiFi gestita a livello trasporto dal TCP ed egrave detta GBN (Go-Back-N)

Per minimizzare le interferenze con le reti operanti alle stesse frequenze i dispositivi adottano delle tecniche di Power Control viene utilizzato lInformation Element chiamato Link FeedBack trasmesso nei Beacon Frames dal receiver di una comunicazione Queste informazioni son utili al trasmettitore per adattare il livello di potenza in trasmissione allo stato del canale per elaborare una stima della minima potenza necessaria il ricevitore utilizza misure quali il SNR lenergia del segnale ricevuto il frame error ratio e altri parametri Questa tecnica egrave chiamata TPC (Transmit Power Control) Inoltre ogni dispositivo egrave definito anche da un proprio stato allinterno della rete in quellistante puograve essere in- Active Mode il dispositivo trasmetteragrave e riceveragrave beacon nella supertrama corrente un dispositivo in Active Mode puograve trovarsi in uno di due distinti stati Awake (sta trasmettendo o ricevendo) e Sleep (non sta trasmettendo o ricevendo)- Hibernation Mode non invieragrave beacon o altri frames nella supertrama corrente

UWB secondo WiMedia prevede anche alcuni meccanismi di sicurezza dei quali faremo un breve elenco UWB egrave senzaltro una tecnologia che permette un elevato grado di sicurezza poichegrave la densitagrave spettrale dei sistemi UWB giace sullo stesso piano se non al di sotto della soglia del rumore di fondo rendendolo un sistema cosiddetto a bassa probabilitagrave 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- Strong Security Protection (bit settato a 1 nel campo Secure allinterno del campo Frame Control)Le politiche di sicurezza che vengono utilizzate nella seconda classe prevedono crittazione dei dati controllo dellintegritagrave del messaggio e metodi di protezione contro gli attacchi di tipo Reply Il primo passo per stabilire una connessione sicura egrave effettuare

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un Handshake a 4 vie fra i due dispositivi che vogliono comunicare questa procedura comprende unidentificazione 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 MulticastLa funzione di Message Integrity prevede un algoritmo di Hashing che crea un Checksum (o Digest Message) dei dati a questo viene poi applicato un algoritmo di crittazione andando a definire un MIC (Message Integrity Code)La funzione di crittazione egrave basata sullalgoritmo AES-128 (Advanced EncryptionStandard) con chiavi di 128 bitMessage Integrity e Crittazione si appoggiano alla tecnica CCM (Counter Mode Encryption and Cipher Block Chaining Message Authentication Code)Per difendersi dagli attacchi di tipo reply si utilizzano due contatori Secure Frame Counters (SFC) e Replay CountersAccenniamo infine agli strumenti che permetteranno la convergenza fra IP e UWBlintegrazione dei sistemi UWB MB-OFDM con la rete IP egrave stata prevista da WiMedia andando a definire un interfaccia di adattamento (dette PAL Protocol Adaptation Layer) chiamata WiNet essa permette di inserire un payload di un pacchetto Ethernet su una trama UWB e di offrirgli le stesse funzionalitagrave che avrebbe su Ethernet WiNet permette di avere IP su UWB Un gruppo di dispositivo connessi in WiNet egrave detto WSS (WiNet Service Set) a loro la sicurezza egrave offerta dal framework di UWB che fornisce i servizi appena visti mentre la QoS egrave gestita mappando il livello di

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Immagine 25 WiNet UWB + IP

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

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