Assegnamento Canali/Frequenze in Reti Wireless MAN e WAN

1. UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PERUGIA Corso di Laurea Specialisticain Informatica “Laboratorio Reti di Computer 2” Assegnamento Canali/Frequenze in Reti Wireless MAN e WAN Studente: Valentino Santucci Simone Cordidonne Docente: Prof. Antonio Riganelli

2. Perché è importante • Le reti wireless su aree medio/grandi (MAN/WAN) sono in parte realtà (reti di fonia cellulare: GSM,UMTS) ed in parte in fase di sperimentazione (reti a banda larga: WiMax,Hyperman).

3. Rete di fonia cellulare: GSM (1/2) • Il Global System for Mobile Communications (GSM) è attualmente lo standard di telefonia mobile più diffuso del mondo. • ll servizio principale della rete GSM e' chiaramente la comunicazione vocale. Con il tempo però sono stati implementati altri servizi importanti quali gli SMS e la comunicazione dati.

4. Rete di fonia cellulare: GSM (2/2) • Le frequenze usate dalla rete GSM sono 850, 900, 1800, 1900 MHz e variano a seconda degli stati in cui la rete stessa e' installata. • Tipicamente nelle nazioni europee si utilizza l’intervallo di frequenze 900-1800 MHz, mentre negli Stati Uniti le frequenze usate sono 850-1900 MHz.

5. Rete di fonia cellulare: UMTS (1/2) • Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) è la tecnologia di telefonia mobile di terza generazione (3G) successore del GSM. • Le applicazioni tipiche attualmente implementate, usate dalla reti UMTS in Italia, sono tre: voce (12,2 Kbit/s), videoconferenza (64 Kbit/s) e trasmissione dati a pacchetto (384 Kbit/s).

6. Rete di fonia cellulare: UMTS (2/2) • Le bande di frequenza originariamente previste per lo standard UMTS sono 1885-2025 MHz e 2110-2200 MHz, rispettivamente per la trasmissione e la ricezione.

7. Reti wireless a banda larga: WiMax (1/2) • WiMAX (IEEE 802.16) è una tecnologia di rete MAN senza fili che connetterà ad Internet gli hotspot Wi-Fi e fornirà una estensione wireless alle connessioni a cavo e DSL per l'accesso in banda larga dell’ultimo miglio. • IEEE 802.16 consente una estensione di area di servizio lineare fino a 50 km e consente agli utenti una connettività ad una stazione base verso la quale manca una linea diretta di vista.

8. Reti wireless a banda larga: WiMax (2/2) • Il più recente standard pubblicato 802.16a contempla ambienti per sistemi che operano in bande tra 2 e 11 GHz con la possibilità di gestire trasmissioni in ambiente Non-Line-of-Sight, "Non A Vista“.

9. Reti wireless a banda larga: HIPERMAN • HIPERMAN (High Performance Radio Metropolitan Area Network) è uno standard creato dall’ETSI (European Telecommunications Standards Institute) per reti wireless per sistemi che operano in bande tra 2 e 11 GHzin Europa e costituisce un’alternativa allo standard 802.16 del WiMax.

10. Digital Divide (1/2) • Con Digital Divide (divario digitale) si intende il divario esistente nell'accesso alle telecomunicazioni a banda larga. • Causato da una inadeguata presenze di infrastrutture di rete sul territorio.

11. Digital Divide (2/2) • Il problema del Digital Divide non è presente soltanto all’interno di paesi sottosviluppati, ma anche nelle nazioni più tecnologicamente evolute. • Dovuto principalmente alla difficoltà di piazzare infrastrutture di rete in zone montuose o impervie in generale.

12. Es. Copertura ADSL • La copertura del territorio italiano con accessi a Internet a velocità superiori a 1 Mb/sec (quindi a banda larga) è intorno al 50% nel quale rientrano i 20 maggiori centri (Roma, Milano, Torino, Genova, Napoli, etc.). • Ben al di sotto della media europea (95% di Regno Unito, oltre il 90% in Francia) e di stati con un territorio più vasto dell'Italia e una più bassa densità abitativa e quindi più piccoli centri da coprire.

13. Soluzione • In Francia e Inghilterra tale livello di copertura è in buona parte dovuto all'utilizzo diffuso di tecnologie wireless, liberalizzate da alcuni anni, per servire territori in cui non è conveniente un servizio DSL oppure la posa della Fibra ottica.

14. WLL • II Wireless Local Loop rappresenta una via per fornire servizi voce e dati a case e uffici senza dover passare per l'ultimo miglio tradizionale, ovvero quello che lega le abitazioni alla rete telefonica. • I sistemi basati su WLL impiegano lo spettro di frequenze a 26 Ghz e consentono di "irradiare" le città con un numero limitato di antenne.

15. Internet a banda larga senza fili • Nella telefonia senza fili fissa, una "wireless local loop" puo' sostituire l'ultima connessione (last mile) di una rete telefonica cablata fissa, qualora tale rete cablata non sia realizzabile a costi ragionevoli, come avviene nei paesi desertici o in via di sviluppo. • In tal caso è richiesto di assegnare una frequenza ad ogni stazione.

16. Telefonia Cellulare • Nella telefonia cellulare mobile, un utente mobile all'interno di una cella si connette con la stazione base della cella medesima. • Poiché si richiede una connessione individuale per ogni utente nella stessa cella, è necessario assegnare molti canali alla stessa stazione.

17. Limiti dello spettro radio • Problema: sono presenti in genere molte celle ma ci sono poche frequenze disponibili così che per utilizzare al massimo lo spettro radio è necessario un efficiente algoritmo di assegnamento delle frequenze.

18. Interferenze • La maggior difficoltà verso un utilizzo efficiente dello spettro radio è dato dalle interferenze. • Causano una bassa qualità del segnale radio e quindi la necessità di ritrasmissione dei messaggi. • Tuttavia possono essere eliminate (o per lo meno ridotte) con accurati tecniche di assegnamento dei canali. • Si distinguono 2 tipi di interferenze...

19. Interferenza Co-canale • Interferenza co-canale:si verifica quando due utenti siti in celle adiacenti (o vicine) utilizzano lo stesso canale. • Interferenza molto critica che dipende fortemente dal traffico cellulare. • La possibilità che si verifichi è maggiore nelle ore in cui il sistema cellulare è più indaffarato. • Lo stesso canale può essere riutilizzato da due stazioni contemporaneamente senza interferenza se e solo se le due stazioni sono sufficientemente lontane.

20. Interferenza Adiacente • Interferenza da canale adiacente:si verifica quando due utenti siti nella stessa cella o in celle adiacenti utilizzano due canali adiacenti. • I fenomeni di interferenza possono essere così forti che anche canali distinti utilizzati in stazioni vicine possono interferire se i canali sono troppo vicini. • Canali assegnati a stazioni vicine devono essere separati da un intervallo che è inversamente proporzionale alla distanza tra le stazioni. • Dipende da limitazioni di equipaggiamento dei vari client (p.e. filtri passabanda dei ricevitori non ideali).

21. Assegnamento Canali • Allocare canali radio ad una base station (e quindi ad una cella) in modo da ottenere: • Utilizzo efficiente dello spettro di frequenze a disposizione. • Ridurre al minimo le interferenze. • Buona qualità del servizio. • Problema NP-Completo per topologie di rete generiche (e quindi grafi generici).

22. Classificazione Algoritmi (1/2) • FCA (Fixed Channel Assignment) • Assegnamento statico, cioè effettuato una volta per tutte in base ad una stima delle richieste di connessioni simultanee per ciascuna stazione. • DCA (Dynamic Channel Assignment) • Assegnamento dinamico, cioè effettuato in linea all'atto della effettiva necessità di utilizzare un canale libero per una comunicazione.

23. Classificazione Algoritmi (2/2) • HCA (Hybrid Channel Assignment) • Assegnamento misto, dove un sottoinsieme di canali per ciascuna stazione è assegnato in modo statico ed il resto in modo dinamico, eventualmente prendendo a prestito da una stazione vicina un canale momentaneamente non utilizzato.

24. FCA (1/2) • FCA ha il vantaggio di non richiedere alti costi computazionali al momento dell’assegnazione della frequenza. • Gode di performance migliori rispetto a DCA ed HCA, soprattutto in situazioni di traffico elevato ed uniforme. • E’ spesso usato nella pratica (reti cellulari di 1° e 2° generazione). • Il problema FCA rappresenta comunque un bound ai problemi DCA ed HCA.

25. FCA (2/2) • FCA è in genere testato con opportune istanze di benchmark. • Usualmente è utilizzato il benchmark Philadelphia: • 21 esagoni che denotano le celle della rete cellulare. • I trasmettitori sono localizzati al centro della cella. • La distanza tra celle adiacenti è sempre fissa e considerata 1.

26. Modello matematico • Un sistema cellulare è rappresentato come un grafo dove: • I nodi rappresentano le base-station. • Gli archi collegano due base-station che hanno un’intersezione nella loro area di copertura.

27. Distanza di riuso del canale (1/2) • La distanza tra due nodi è il minimo numero di archi da attraversare per andare da un nodo all’altro. • L’eliminazione delle interferenze cochannel è modellata introducendo il vincolo della distanza di riuso del canale (σ); ovvero un canale può essere utilizzato contemporaneamente in due nodi se e solo se tali nodi si trovano a distanza maggiore o uguale di σ.

28. Distanza di riuso del canale (2/2) • Distanza di riuso σ=2.

29. Vettore di separazione dei canali (1/2) • L’eliminazione delle interferenze cosite e adjacent è modellata introducendo il vettore di separazione dei canali (δ1, δ2,…,δi,…,δσ-1). • Tale vettore rappresenta il gap (contato in numero di canali) che deve separare due canali assegnati a nodi distanti i.

30. Vettore di separazione dei canali (2/2) 0 1 SPETTRO DI FREQUENZE 2 3 4 5

31. CAPS (Channel Assignment Problem with Separation) • I canali radio possono essere modellati come colori (interi non negativi). • CAPS può essere definito come il problema di trovare una L(δ1, δ2,…,δσ-1)-colorazione del grafo che modella la rete.

32. Colorazione grafi • Una L(δ1, δ2,…,δσ-1)-colorazione di un grafo G=(V,E) è una funzione f:VΛ dove Λ={0,…,λ} è un insieme di colori ed f verifica il vincolo: |f(u)-f(v)|≥ δi se d(u,v)=i per i=1,…,σ-1 • Una colorazione ottimale di questo tipo è data da una funzione f che minimizzi il valore λ, e quindi il numero di colori (canali) richiesti (λ+1).

33. Limitazioni al numero di colori • Escludendo il vincolo della separazione dei canali il problema si riduce a L(1,…,1). • Un limite inferiore per L(1,…,1) lo è anche per L(δ1,…,δσ-1). • L(1,…,1) per il grafo Gnpuò essere ridotto al classico problema di colorazione dei grafi (L(1)) per il grafo (aumentato) Gn,σ.

34. Il grafo Gn,σ • Gn,σ=(V,E’) è ottenuto da Gn=(V,E) aggiungendo un arco per ogni coppia di vertici a distanza minore di σ (ovvero {u,v}E’  d(u,v)≤σ-1 in Gn). σ = 3

35. Limitazioni al numero di colori • Per colorare Gn,σoccorre un numero di colori almeno pari alla dimensione della massima cricca di Gn,σ. • Una cricca è un sottoinsieme di vertici del grafo totalmente connessi (proprio per questo servono colori diversi). • La dimensione di una cricca è data dal numero di vertici che la compongono.

36. Cenni sulla complessità • CAPS è NP-Completo per grafi generici. • Infatti, già L(2,1) è intrattabile. • Esistono, comunque, efficienti algoritmi per colorazioni ottimali da applicare a specifiche topologie di grafi.

37. Topologia cellulare (o esagonale) • Utilizzata nella pratica perché copre l’intero piano euclideo minimizzando il numero di base-station necessarie.

38. Algoritmo per L(2,1,1)-colorazione per griglie cellulari (1/3) • Algoritmo ottimale per griglie cellulari di dimensione r x c con r≥4 e c≥4. • Lemma: Esiste una colorazione ottimale solo se λ≥11 (perché in tali grafi la massima cricca ha dimensione 12).

39. Algoritmo per L(2,1,1)-colorazione per griglie cellulari (2/3)

40. Algoritmo per L(2,1,1)-colorazione per griglie cellulari (3/3)

41. Complessità • L’algoritmo opera in tempo costante O(1) se ogni stazione (vertice) conosce la propria posizione logica all’interno del grafo. • Se così non fosse basterebbe dotare ogni stazione di un sistema GPS cosicché conosca la propria posizione assoluta e far girare poi un semplice algoritmo distribuito e polinomiale.

42. Position Discovering su griglia cellulare (1/2) • La computazione inizia dal nodo in alto a sinistra che è l’unico che conosce la sua posizione logica (0,0). • Viene inviato un messaggio di controllo del tipo CM(v,gv,i,j) dove gv è la posizione geografica di v ed i,j è la posizione logica. • Quando un vertice u riceve il messaggio confronta la sua posizione geografica con gv e calcola la sua posizione logica inviando poi lui stesso un messaggio.

43. Position Discovering su griglia cellulare (2/2) (0,0) (0,1) (0,2) (0,3) (1,0) (1,1) (1,2) (1,3) (2,1) (2,0) (2,2) (2,3) (3,0) (3,1) (3,2) (3,3) Tempo: O(max(r,c)) Numero Messaggi Scambiati: O(rc)

44. Perchè non si usano Frequenze Guardia (1/2) SPETTRO DI FREQUENZE

45. Perchè non si usano Frequenze Guardia (2/2) • Nei vari algoritmi FCA per grafi regolari (incluso quello visto) non occorrono canali extra per evitare l’interferenza dovuta a frequenze adiacenti. • Banda per frequenze guardia: Wguard=(λ+1)β+λγ • Banda per separazione dei canali: Wseparation=(λ’+1)β • λ = λ’  Wseparation<Wguard

46. F I N E