Wi-fi

1. Liceo Scientifico “Le filandiere” San Vito al Tagliamento (PN) Wi-fi Cepparo Alberto Classe 5A sez.A

2. PARTE 1Cosa è una Wireless • Il mondo delle tecnologie senza fili è composto da due differenti anime: quella della telefonia cellulare, e quella delle reti locali Wireless (dall'inglese appunto wire=filo less=mancante => reti senza filo). • Come per il caso Internet, progettata per essere una rete militare negli anni ‘70, anche la tecnologia Wireless ha origini non recentissime: già durante la seconda guerra mondiale le forze Alleate disponevano del SST (Spread Spectrum Technology) per evitare che il nemico disturbasse o intercettasse le comunicazioni. • La tecnologia di rete del wireless è chiamata Ieee 802.11(Institution of Electrical and Electronics Engineers), ma la famiglia di dispositivi 802.11 è molto numerosa e composta da standard spesso incompatibili.

3. Gli standard 802.11 • 802.11a è il più recente standard wireless Ethernet, viene anche chiamato Wi-Fi5, nasce come risposta alle esigenze dei sempre più numerosi utenti privati, questa tecnologia, aumenta il bit rate fino a 54 Mbit per secondo, ma lavora sulla frequenza 5 GHz, utilizzando la OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) • 802.11b (per gli amici Wi-Fi) è lo standard più conosciuto  della famiglia 802.11 che sfruttando la divisione DS (direct sequence, sequenza diretta) sulla frequenza 2,4 GHz permette una trasferimento dati fino a 11 Mbit. • 802.11d standard destinato ai paesi che non possono liberalizzare la banda a 2,4Ghz perché destinata ad altri usi. • 802.11e standard arenatosi su una serie di problemi tecnici e quindi abbandonato. • 802.11f sotto questa sigla vengono riunite una serie di specifiche destinate a facilitare il passaggio da una zona di copertura all'altra e da un canale all'altro. • 802.11g nuovo standard wireless Ethernet attualmente ancora in fase di progettazione che permetterà una velocità di 54Mbps anche sulla banda a 2,4Ghz e garantirà una compatibilità con lo standard Wi-Fi • 802.11h Specifiche volte a garantire  un maggiore controllo della potenza di trasmissione da parte di 802.11a. • 802.11i Specifiche per la sicurezza delle reti wireless della famiglia 802.11. • Il Wi-Fi (cioè 802.11b) è sicuramente il modello più diffuso, almeno negli USA, per le connessioni Wireless, la specifica 802.11a ha, invece, incontrato notevoli difficoltà a diffondersi per il semplice motivo che non esiste alcuna compatibilità tra 802.11b, sviluppata per prima, e 802.11a, che lavora su una differente frequenza. Il futuro sta, invece, nell’ultima specifica, 802.11g, che è compatibile con vecchie implementazioni 802.11b e in più ne raddoppia la velocità di trasmissione.

4. Perché wireless? • Il vasto sviluppo del networking nel mondo degli affari e la crescita enorme dei servizi Internet e online sono testimonianze forti dei benefici portati dalla condivisione dei dati e delle risorse. Con le WLAN, gli utenti possono accedere ad informazioni condivise senza cercare un luogo per collegarsi in rete, e gli amministratori di rete possono implementare o ingrandire una rete senza installare o trasportare fili. Le WLAN offrono i seguenti vantaggi di produttività, convenienza e costi rispetto alle reti cablate tradizionali: • mobilità: le WLAN possono fornire agli utenti un modo per accedere dovunque, nella loro organizzazione, alle informazioni. Queste opportunità di mobilità e di servizio non sono possibili con reti cablate; • velocità di installazione e semplicità: installare una WLAN può essere veloce e facile e può eliminare (o, nella peggiore delle ipotesi, limitare) la necessità di stendere cavi attraverso pareti e soffitti; • costi di gestione ridotti: mentre l'investimento iniziale richiesto per l’hardware delle WLAN può essere più alto del costo dell’hardware delle LAN cablate, le spese di gestione complessive e le spese nel ciclo di vita della rete possono essere significativamente più basse. I benefici del costo a lungo termine sono maggiori in ambienti dinamici, che richiedono, cioè, spostamenti e cambiamenti frequenti della topologia della rete; • scalabilità: le WLAN possono essere configurate in una grande varietà di topologie per soddisfare alle necessità di applicazioni specifiche e di particolari installazioni. Le configurazioni possono essere cambiate facilmente e variano da reti peer to peer, appropriate per un numero piccolo di utenti, a reti di migliaia di utenti che possono operare su vaste aree

5. Piccoli problemi delle reti wireless • Alcuni problemi che possono sorgere implementando una rete wireless Ethernet sono : • A frequenze elevate, il segnale radio va incontro a una maggiore tendenza alla dispersione; • La dispersione aumenta anche all'aumentare tra trasmettitore e ricevitore poiché il segnale diventa indecifrabile; • Nel caso di frequenze più elevate si deve ricorrere a una potenza di emissione maggiore o a più efficienti schemi di modulazione. • Possibilità di captare interferenze elettromagnetiche provenienti dall'ambiente (distorsione del segnale)

6. Ethernet e Wi-Fi a confronto economico • Scegliendo le soluzioni “senza fili” a quelle LAN: una rete Wireless, a 2 Mbps , composta da due dispositivi e due antenne, costa circa 5.100 euro (10.000.000 delle vecchie lire) e permette di collegare due postazioni distanti fino ad un chilometro; per un collegamento a 64 Kbps si spendono 3.500 euro più i costi d’impianto della rete più i router (circa 1000 euro ciascuno), mentre per un collegamento a 2 Mbps si spendono oltre i 13.000 euro più i router e i costi iniziali d’impianti.

7. PARTE 2ESPERIMENTO Amplificare una rete wi-fi eliminando uno dei problemi più importanti nella realizzazione di una rete: L’interferenza del segnale trasmesso. FINALITÀ: • Esperienza: - didattica - economica - ripetibile

8. Realizzazione esperimento Materiale e strumenti necessari: • Cilindro di alluminio spessore 2,5mm con due tappi in plastica PVC alle due estremità

9. Filo in rame o ottone da 2mm circa (da 1.5mm a 3mm) • Connettore N da pannello, con bullone o con fori per 2 o 4 viti

10. Lima per metallo • Saldatore

11. Trapano con punte per metallo con dimensioni varie da 4 a 10 mm

12. Istruzioni per la costruzione della cantenna • Inserire il diametro del barattolo e cliccare sul pulsante "Calcola" per calcolare le frequenze di funzionamento e la dimensione della lunghezza d'onda all'interno del barattolo (dalla quale dipende la posizione del dipolo). Il diametro migliore va da 8 a 8.5 cm. E' necessario tenere conto, nella scelta del diametro del barattolo, che le frequenze di funzionamento delle WLAN vanno da circa 2400hrz a circa 2480hrz; sarebbe auspicabile che la frequenza TE11 fosse inferiore a 2400hrz e quella TM01 fosse superiore a 2480.Inoltre, sarebbe un'ottima cosa se il barattolo fosse lungo almeno 3/4 della lunghezza d'onda all'interno del barattolo (Lunghezza d'onda Waveguide).

13. Per effettuare il buco è necessario porre un po' di attenzione: se usate un trapano, è meglio allargare il buco per gradi, usando via via punte sempre più doppie. In genere il buco sarà sempre molto più largo della più grande punta che possedete, quindi armatevi di una lima per metalli e di pazienza ed allargate il buco fino a quando non sarà sufficientemente largo per il connettore che avete scelto.Il dipolo può essere realizzato in vari modi. Io ho adoperato dei connettori N da pannello, uno dotato di bullone (il migliore), l'altro dotato di 4 fori per il montaggio con 2 o 4 viti. Sul polo centrale va saldato un conduttore metallico (rame o ottone) di circa 2mm, che fungerà da elemento radiante. Se lo trovate da 1.5mm o 3mm va bene lo stesso.La lunghezza dell'elemento radiante dipende dalla frequenza di funzionamento; nel nostro caso dovrebbe essere di 30mm circa (diciamo da 29 a 31). NOTA: Se possibile, la massa del connettore non dovrebbe sporgere all'interno del barattolo, come mostrato nella seguente figura: PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

14. Poca teoria sulle guide d'onda • Utilizzo la lettera λ per indicare la generica lunghezza d'onda (in greco LAMBDA). • A differenza del cavo coassiale un segnale si propaga in una guida per riflessione sulle pareti conduttrici.Ci sono tre differenti lunghezze d'onda che caratterizzano il comportamento di una guida d'onda. Le chiamiamo λo, λc e λg. • λ o è la lunghezza d'onda in aria  = 300 / f (in GHz).λc è la lunghezza d'onda di taglio, corrisponde alla frequenza più bassa che riesce         a propagarsi nella guida e dipende dal diametro λc = 1,706 x D (la c stà per cut-off, taglio)λ g è la lunghezza d'onda nella guida ed è una funzione di λo e λc  (la g stà per guide, guida) • Una guida d'onda che è chiusa ad un estremo si comporta come un cavo coassiale cortocircuitato ad un capo. Un segnale che entra nella guida la percorre fino alla chiusura e qui si riflette indietro sommandosi a quello in ingresso e generando così un campo di onde stazionarie, vi saranno allora dei punti in cui il segnale è più elevato e altri in cui si annullerà quasi del tutto: • Se misurassimo l'intensità con una sonda muovendoci lungo l'asse individueremmo dei punti di massimo e dei punti di minimo che si ripetono dopo un certo intervallo. Nel punto di chiusura il segnale è nullo e lo stesso minimo si ripete a distanza di mezza lunghezza d'onda. Il primo massimo invece è a un quarto di onda dalla parete di chiusura e si ripete ovviamente dopo mezz'onda anch'esso. Il punto di massimo è il miglior punto per estrarre il segnale sul cavo coassiale. Infatti l'area di massimo è abbastanza distesa e la posizione di estrazione non è eccessivamente critica. • Bisogna notare però una cosa, la lunghezza d'onda delle onde stazionarie Lg non è la stessa dello stesso segnale in aria Lo. Tubi di grande diametro di comportano come spazio libero e quindi Lg e Lo tendono a corrispondere, ma progressivamente con il restringersi del tubo Lg aumenta sempre di più fino a che tenderà al valore infinito. Questo è il punto in cui il segnale non si può più propagare nella guida. La guida d'onda si comporta come un filtro che passa alto la cui lunghezza d'onda di taglio è λc = 1.706 x D.   Lo viene calcolata dalla frequenza nominale: λ o(in mm) = 300 / f(in GHz). Il valore degli inversi di λ o, λ c e λ g formano un triangolo rettangolo su cui vale il teorema di Pitagora: • (1/ λ o)2 = (1/ λ c)2 + (1/ λ g)2 • che risolvendo fornisce • λ g = 1 /

15. Nell'antenna il connettore è posizionato in un punto di massimo e quindi a distanza λ g/4 dal fondo di chiusura. La lunghezza del tubo andrebbe selezionata in modo che un punto di massimo coincida anche con l'orlo di apertura, tipicamente si seleziona 3/4x λ g dal fondo ma questa cosa non riveste un'importanza primaria. • Passiamo al dimensionamento • Come detto la lunghezza non ha un'importanza primaria ma sarebbe bene che fosse 3/4 Lg o superiore. Allunghiamo il conduttore centrale del connettore N utilizzando un tondino di ottone da 4 mm fino a raggiungere Lo/4 dalla massa del connettore. Lo dipende solo dalla frequenza nominale. Lo = 122 mm a  2.45 GHz  quindi λ o / 4 = 31 mm (è un poco accorciato perchè sia risonante!). • Lg come detto dipende dal diametro del tubo e nella tabella seguente riporto alcuni valori: • Lg  funzione del diametro della guida a 2.45 GHz • Diametro interno D in mm Lunghezza delle onde stazionarie λ g in mm λ g / 490 • 202,7 • 51 • 95186,747100175,744105167,642110161,540 • Nel caso montassimo un connettore N dobbiamo praticare un foro da 12 mm centrato a  λ g / 4 di distanza dal fondo. Per fissare la flangia dobbiamo anche fare quattro fori da 3 mm per le viti. Il conduttore centrale abbiamo detto che và portato a Lo/4 quindi 31 mm saldandoci un tondino di ottone (ma anche rame anche se più tenero) da 4 mm di diametro. Per un migliore e più pratico fissaggio si può realizzare un foro da 3 mm su uno dei lati del tondino in modo da poterlo infilare sul conduttore centrale del connettore prima di procedere alla saldatura.Il connettore N và fissato con quattro viti da 3 mm inserite dall'interno verso l'esterno in modo che i dadi vengano a trovarsi all'esterno. Nella guida deve esserci il minor numero di masse metalliche possibile che possa influenzare il corretto funzionamento del monopolo radiante. Il punto di fissaggio del connettore và impermeabilizzato con sigillante siliconico per prevenire infiltrazioni e ossidazione dei contatti. Nel punto più basso della guida va praticato un forellino che permetta lo scarico della condensa. • Il lato aperto può essere chiuso con un tappo plastico ma il materiale và prima testato in un forno a microonde valutando che non subisca un riscaldamento anche dopo qualche minuto di forno acceso (mettete nel forno anche una tazza piena d'acqua per non fare lavorare il forno senza carico). Se non si scalda vuol dire che il materiale non presenta perdite resistive.Io utilizzo un setto di polistirolo, lo si può recuperare da molti imballaggi. • Se le condizioni d'uso lo necessitano verniciate il barattolo per prevenire l'ossidazione. Usate vernice a spruzzo (una bomboletta và benissimo) facendo in modo che lo strato sia sottilissimo e senza scolature. • Il montaggio sul palo può essere eseguito con una fascia metallica che circonda il tubo in modo da prevenire deformazioni e ammaccature. Il materiale di fissaggio si trova in una qualunque ferramenta.

16. Wireless Performances • Avendo in dotazione un solo esemplare di Cantenna ho pensato di testarne le performances nell'ambito dell'utilizzo più tipico, ovvero quello fra le mura domestiche, che notoriamente creano le condizioni più ostiche al passaggio del segnale radio.Ho quindi utilizzato un'area di test così composta:PC1 – 1.5 mt aria – 11 cm muro in mattoni forati – 1.4 mt aria – 11 cm Muro in mattoni forati – 1.4 mt aria – 11 cm Muro in mattoni forati – 3.5 mt aria – 11 cm muro in mattoni forati – 11 cm muro in mattoni pieni – 1 mt aria – PC2Per una distanza totale di 9,35 mt ed oltre mezzo metro di mattoni.Per poter avere un metro di paragone comprensibile a tutti ho pensato di paragonare la “Cantenna” (3) ad altre due antenne fra le più diffuse (poste nella stessa posizione): (1) il classico dipolo a “gommino” che viene fissato dietro alle schede PCI o sugli access point (il cui guadagno viene generalmente indicato a 2dB), e (2) l'antenna in gomma con cavetto, un po' meno diffusa ma come noterete nei test più performante della prima.

17. Antenne prese in esame

18. Risultati esperimenti • Primo Test • Ho inizialmente testato la percentuale dei disturbi ricevuti dalle tre antenne in assenza di segnali e mi sono fatto un primo quadro sulla “bontà”delle tre diverse antenne.Questo parametro dovrebbe essere il più basso possibile. • In questa immagine è possibile vedere quanti disturbi riceve il gommino (1). Come potrete vedere più avanti, già non è il massimo in ricezione, tutti questi disturbi proprio non ci vorrebbero.

19. In questa immagine è possibile vedere quanti disturbi riceve l'antenna in gomma con cavetto (2). Decisamente migliore rispetto alla prima. • In questa immagine è invece possibile vedere quanti disturbi riceve la “Cantenna” (3) che risulta essere la migliore fra le tre.

20. Secondo Test • I parametri verificati sono: percentuale “Link Quality” che dev'essere più alta possibile, dBm “Signal Strength” il cui valore dev'essere più alto possibile, e dBm “Noise Level”  il cui valore dev'essere più basso possibile. • Purtroppo il mio gommino standard ha fallito il test ad-hoc, durante la ricerca non è stato rilevato alcun dispositivo. Si ricevono solo disturbi. • In questa immagine possiamo vedere come l'antenna in gomma con cavetto riceve già meglio e riesce a connettere con un segnale che difficilmente permetterà un effettivo scambio dei dati, anche a causa di un'elevata figura di rumore.

21. In questa immagine vediamo il rendimento della Cantenna, che forte di un rumore minore ed una maggiore sensibilità, permette una connessione certamente migliore. Anche in questo caso si attesta come la migliore fra le tre. • Concludendo • Dai test eseguiti si è notato come la Cantenna realizzata sia nettamente superiore alle antenne standard in commercio. Questa qualità del segnale permette appunto di eliminare uno dei più grossi problemi legati all’installazione di una rete Wireless.

22. FINE

23. Il Wi-Fi sbarca nella Capitale • Roma - Certo, per l'Italia sarebbe proprio un bel sogno da realizzare: navigare gratuitamente seduti nel mezzo del verde di uno dei parchi pubblici di Roma, circondati dalla storia della nostra civiltà. Un bel sogno che è già realtà nel resto del mondo tecnologico e che invece da noi (complice una legislazione assolutamente originale predisposta dal governo Berlusconi) fino a qualche giorno fa era vietato ed, oggi, invece possibile solo in parte.A realizzarlo ci prova per primo il Comune di Roma che, insieme ad un consorzio di imprese, darà vita alla prima copertura Wi-Fi di uno spazio pubblico aperto. Roma senza fili, questo il nome dell'iniziativa, comincerà con i parchi più belli della capitale: inaugurazione prevista il prossimo 28 luglio per sperimentare la connessione da Villa Borghese. Sarà poi la volta, nei prossimi mesi, di Villa Ada, Villa Doria Pamphili, Villa Torlonia. Dal Comune fanno sapere che si tratta di una "presentazione che può servire a dare la scossa all'attuazione del progetto", come dire che ora tutti sanno e bisogna lavorare ancora sodo per concretizzarlo. Ma si è effettivamente ad un passo.Come nasce il progetto?"La disponibilità di banda larga - spiega a Punto Informatico l'ingegner Francesco Loriga, ingegnere dell'assessorato semplificazione e comunicazione del Comune di Roma - è considerato un elemento essenziale di efficienza nelle dotazioni infrastrutturali di un'area metropolitana. La banda larga apre notevoli opportunità per le comunità cittadine, per le amministrazioni locali e per le organizzazioni produttive sia dal lato della fruizione che dell'erogazione dei servizi. Per questa ragione la banda larga è strategica per aumentare il livello di benessere e, nello stesso tempo, di competitività di aree urbane che hanno sempre più bisogno di gestire e condividere informazioni e comunicazioni. Le nuove tecnologie wireless costituiscono una componente strategica per una piena connettività alla banda larga". Il modello PhiladelphiaCose già capite e messe in pratica nelle più grandi città all'estero. Per questo l'amministrazione Veltroni tiene d'occhio i progetti più rilevanti come quelli di New York (Los Angeles sta realizzando un progetto simile) e Philadelphia, dove le amministrazioni comunali si accingono a far realizzare grandi infrastrutture Wi-Fi nel tessuto urbano. In entrambi i casi si è attribuita particolare attenzione al ruolo pubblico e alla definizione di modelli di business che garantiscano la sostenibilità e l'equità dell'investimento pubblico, così come la continuità nella futura gestione. New York, analogamente a Los Angeles, propone un modello di rete basata sulle esigenze di sicurezza della amministrazione comunale: dotare polizia e vigili del fuoco di palmari Wi-Fi per le applicazioni quotidiane. Philadelphia, invece, propone un modello di rete finalizzato a più scopi: dalle politiche di riduzione del digital divide, ai servizi e-gov fino al supporto alle attività commerciali.