Le tecnologie di trasmissione dei dati sulle reti senza fili
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Le reti locali radioelettriche utilizzano delle onde radio o infrarossi per trasmettere dei dati.
Tuttavia i governi propongono delle bande di frequenza per un utilizzo libero, cioè che non necessiti di una licenza di radiocomunicazione. Gli organismi incaricati di regolare l'uso delle frequenze radio sono:
ETSI (European Telecommunications Standards Institute) in Europa;
FCC (Federal Communications Commission) negli USA;
MKK (Kensa-kentei Kyokai) in Giappone.
Nel 1985 gli USA hanno liberato tre bande di frequenza destinate all'industria, alla Scienza e alla Medicina. Queste bande di frequenza, battezzate ISM (Industrial, Scientific, and Medical), sono le bande 902-928 MHz, 2.400-2.4835 GHz, 5.725-5.850 GHz.
In Europa la banda che va da 890 a 915 MHz è usata per le comunicazioni mobili (GSM), quindi solo le bande da 2.400 a 2.4835 GHz e da 5.725 a 5.850 GHz sono disponibili per un uso radioamatoriale.
La condivisione della larghezza di banda tra le diverse stazioni presenti in una stessa cella;
La propagazione per percorsi multipli di un'onda radio. Un'onda radio può effettivamente propagarsi in diverse direzioni ed eventualmente essere riflessa o rifratta da alcuni oggetti dell'ambiente fisico, così un ricevente può ricevere a qualche istante due informazioni identiche che hanno avuto percorsi diversi con riflessi successivi.
Lo strato fisico della norma 802.11 definisce quindi inizialmente più tecniche di trasmissione che permettono di limitare i problemi dovuti alle interferenze:
La tecnica Frequency-hopping spread spectrum;
La tecnica Direct Sequence Spread Spectrum;
La tecnologia ad infrarossi.
La tecnica del Frequency-hopping spread spectrum;
La tecnica del Direct Sequence Spread Spectrum.
Nella norma 802.11, la banda di frequenza 2.4 - 2.4835 GHz permette di creare 79 canali da 1MHz. La trasmissione avviene emettendo successivamente su un canale poi su un altro durante un breve periodo di tempo (circa 400 ms), il che permette ad un dato istante di trasmettere un segnale più facilmente riconoscibile su una frequenza data.
Il Frequency-hopping spread spectrum è originariamente stato concepito ad uno scopo militare per impedire l'ascolto delle trasmissioni radio. Effettivamente, una stazione che non conosce la combinazione di frequenza da usare non può ascoltare la comunicazione dato che le è impossibile, nel tempo concesso, localizzare la frequenza sulla quale il segnale è emesso e cercare la nuova frequenza.
Oggi le reti locali che usano questa tecnologia sono standard il che significa che la sequenza di frequenze utilizzate è conosciuta da tutti, quindi il Frequency-hopping spread spectrum non assicura più questa funzione di sicurizzazione degli scambi. D'altra parte, il FHSS è ormai usato nello standard 802.11 in modo tale da ridurre le interferenze tra le trasmissioni delle diverse stazioni di una cella.
Il livello fisico della norma 802.11 definisce una sequenza di 11 bit (10110111000) per rappresentare un 1 e il suo complemento (01001000111 ) per codificare uno 0. Viene detto chip o chipping code ogni bit codificato con questa sequenza. Questa tecnica (detta chipping ) sta quindi a modulare ogni bit con la sequenza barker:
Grazie al chipping, si trasmette un'informazione ridondante, che permette di effettuare dei controlli di errore sulle trasmissioni, quasi una correzione. Nello standard 802.11b, la banda di frequenza 2.400-2.4835 GHz (della larghezza di 83.5 MHz) è stata scomposta in 14 canali separati da 5 MHz, di cui solo i primi 11 sono utilizzabili negli USA. Solo i canali da 11 a 13 sono utilizzabili in Italia. Qui di seguito trovate le frequenze associate ai 14 canali:
Tuttavia, per una trasmissione da 11 Mbps corretta è necessario trasmettere ad una banda di 22 MHz dato che, secondo il teorema di Shannon, la frequenza di campionamento deve essere almeno uguale o doppia del segnale da digitalizzare. Così alcuni canali ricoprono parzialmente i canali adiacenti, ragione per cui solitamente si usano dei canali isolati (i canali, 1, 6 e 11) distanti gli uni dagli altri di 25 Mhz.
Quindi, se due punti di accesso che usano gli stessi canali hanno delle zone di emissione che si intralciano, la trasmissione rischia di essere perturbata da segnali distorti. Per evitare qualsiasi interferenza si raccomanda di organizzare la ripartizione dei punti di accesso e l'utilizzo dei canali in modo tale da non avere due punti di accesso che usano gli stessi canali adiacenti:
Lo standard 802.11a utilizza la banda di frequenza da 5.15 Ghz a 5.35 GHz e la banda da 5.725 GHz a 5.825 GHz, il che permette di definire 8 canali distinti di una larghezza di 20 Mhz ciascuno, cioè una banda sufficientemente larga per non avere parassiti fra i canali.
Grazie agli infrarossi è possibile ottenere delle capacità di banda che vanno da 1 a 2 Mbit/s utilizzando una modulazione detta PPM (pulse position modulation).
La modulazione PPM consiste nel trasmettere degli impulsi di ampiezza costante, e a codificare l'informazione secondo la posizione dell'impulso. La capacità di banda di 1 Mbps è ottenuta con una modulazione di 16-PPM, mentre la capacità di banda di 2 Mbps è ottenuta con una modulazione di 4-PPM che permette di codificare due bit di dati con 4 posizioni possibili:
Un metodo alternativo detto CCK (complementary code keying ) permette di codificare direttamente più bit di dati in un solo chip usando 8 sequenze da 64 bit. Così codificando simultaneamente 4 bit, il metodo CCK permette di ottenere una capacità di debito di 5.5 Mbps e una di 11 Mbps codificando 8 bit di dati.
La tecnologia PBCC (Packet Binary Convolutionnary Code) permette di rendere il segnale più robusto rispetto alle distorsioni dovute al percorso multiplo delle onde hertziane. Infatti la società Texas Instrument è riuscita a mettere a punto una sequenza che trae vantaggio da questa migliore resistenza alle interferenze e che offre una capacità di banda di 22 Mbit/s. Questa tecnologia battezzata 802.11b+ è tuttavia non conforme alla norma IEEE 802.11b il che rende le periferiche che la supportano non compatibili con le apparecchiature 802.11b.
La norma 802.11a agisce nella banda di frequenza dei 5 GHz, che offre 8 canali distinti, ragione per cui è proposta una tecnica di trasmissione alternativa che utilizza diversi canali. L'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) permette di ottenere delle capacità di banda teoriche di 54 Mbps inviando i dati in parallelo sulle diverse frequenze. In più la tecnica OFDM fa un utilizzo più razionale dello spettro:
Foto: © Pixabay.
- I canali di trasmissione
- Le tecnologie di trasmissione
- La tecnica a banda stretta
- Le tecniche di allargamento dello spettro
- Frequency-hopping spread spectrum
- Direct Sequence Spread Spectrum
- La tecnologia infrarossi
- Le tecniche di modulazione
- Ottimizzazione
I canali di trasmissione
Viene detto canale di trasmissione una banda stretta di frequenza utilizzabile per una comunicazione. In ogni paese, il governo è solitamente il regolatore dell'utilizzo delle bande di frequenza, dato che spesso ne è il più grande consumatore a scopi militari.Tuttavia i governi propongono delle bande di frequenza per un utilizzo libero, cioè che non necessiti di una licenza di radiocomunicazione. Gli organismi incaricati di regolare l'uso delle frequenze radio sono:
ETSI (European Telecommunications Standards Institute) in Europa;
FCC (Federal Communications Commission) negli USA;
MKK (Kensa-kentei Kyokai) in Giappone.
Nel 1985 gli USA hanno liberato tre bande di frequenza destinate all'industria, alla Scienza e alla Medicina. Queste bande di frequenza, battezzate ISM (Industrial, Scientific, and Medical), sono le bande 902-928 MHz, 2.400-2.4835 GHz, 5.725-5.850 GHz.
In Europa la banda che va da 890 a 915 MHz è usata per le comunicazioni mobili (GSM), quindi solo le bande da 2.400 a 2.4835 GHz e da 5.725 a 5.850 GHz sono disponibili per un uso radioamatoriale.
Le tecnologie di trasmissione
La tecnica utilizzata all'origine per le trasmissioni radio è detta trasmissione a banda stretta, consiste nel passare le diverse comunicazioni su canali differenti. Le trasmissioni radio sono tuttavia sottomesse a numerosi limiti che rendono questo tipo di trasmissione non sufficiente. Questi limiti sono soprattutto:La condivisione della larghezza di banda tra le diverse stazioni presenti in una stessa cella;
La propagazione per percorsi multipli di un'onda radio. Un'onda radio può effettivamente propagarsi in diverse direzioni ed eventualmente essere riflessa o rifratta da alcuni oggetti dell'ambiente fisico, così un ricevente può ricevere a qualche istante due informazioni identiche che hanno avuto percorsi diversi con riflessi successivi.
Lo strato fisico della norma 802.11 definisce quindi inizialmente più tecniche di trasmissione che permettono di limitare i problemi dovuti alle interferenze:
La tecnica Frequency-hopping spread spectrum;
La tecnica Direct Sequence Spread Spectrum;
La tecnologia ad infrarossi.
La tecnica a banda stretta
La tecnica a banda stretta (narrow band) consiste nell'utilizzare una frequenza radio specifica per la trasmissione e la ricezione dei dati. La banda di frequenza utilizzata deve essere il più piccola possibile per limitare le interferenze sulle bande adiacenti.Le tecniche di allargamento dello spettro
La norma IEEE 802.11 propone due tecniche di modulazione di frequenza per la trasmissione di dati derivanti da tecnologie militari. Queste tecniche, dette allargamento dello spettro (in inglese spread spectrum) consistono nell'utilizzare una banda di frequenza larga per trasmettere dei dati di potenza ridotta. Si distinguono due tecniche di allargamento dello spettro:La tecnica del Frequency-hopping spread spectrum;
La tecnica del Direct Sequence Spread Spectrum.
Frequency-hopping spread spectrum
La tecnica FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum, in italiano allargamento di spettro per salto di frequenza o allargamento di spettro per evasione di frequenza) consiste nello scomporre la banda larga di frequenza in minimo 75 canali (hops o salti larghi 1MHz), poi trasmettere usando una combinazione di canali conosciuti da tutte le stazioni della cella.Nella norma 802.11, la banda di frequenza 2.4 - 2.4835 GHz permette di creare 79 canali da 1MHz. La trasmissione avviene emettendo successivamente su un canale poi su un altro durante un breve periodo di tempo (circa 400 ms), il che permette ad un dato istante di trasmettere un segnale più facilmente riconoscibile su una frequenza data.
Il Frequency-hopping spread spectrum è originariamente stato concepito ad uno scopo militare per impedire l'ascolto delle trasmissioni radio. Effettivamente, una stazione che non conosce la combinazione di frequenza da usare non può ascoltare la comunicazione dato che le è impossibile, nel tempo concesso, localizzare la frequenza sulla quale il segnale è emesso e cercare la nuova frequenza.
Oggi le reti locali che usano questa tecnologia sono standard il che significa che la sequenza di frequenze utilizzate è conosciuta da tutti, quindi il Frequency-hopping spread spectrum non assicura più questa funzione di sicurizzazione degli scambi. D'altra parte, il FHSS è ormai usato nello standard 802.11 in modo tale da ridurre le interferenze tra le trasmissioni delle diverse stazioni di una cella.
Direct Sequence Spread Spectrum
La tecnica DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum, allargamento di spettro a sequenza diretta) consiste nel trasmettere per ogni bit una sequenza Barker (talvolta detta rumore pseudo-aleatorio o in inglese pseudo-random noise, sigla PN) di bit. Ogni bit di valore 1 è sostituito da una sequenza di bit e ogni bit di valore 0 dal suo complementare.Il livello fisico della norma 802.11 definisce una sequenza di 11 bit (10110111000) per rappresentare un 1 e il suo complemento (01001000111 ) per codificare uno 0. Viene detto chip o chipping code ogni bit codificato con questa sequenza. Questa tecnica (detta chipping ) sta quindi a modulare ogni bit con la sequenza barker:
Grazie al chipping, si trasmette un'informazione ridondante, che permette di effettuare dei controlli di errore sulle trasmissioni, quasi una correzione. Nello standard 802.11b, la banda di frequenza 2.400-2.4835 GHz (della larghezza di 83.5 MHz) è stata scomposta in 14 canali separati da 5 MHz, di cui solo i primi 11 sono utilizzabili negli USA. Solo i canali da 11 a 13 sono utilizzabili in Italia. Qui di seguito trovate le frequenze associate ai 14 canali:
| Canale | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Frequenza (GHz) | 2.412 | 2.417 | 2.422 | 2.427 | 2.432 | 2.437 | 2.442 | 2.447 | 2.452 | 2.457 | 2.462 | 2.467 | 2.472 | 2.484 |
Tuttavia, per una trasmissione da 11 Mbps corretta è necessario trasmettere ad una banda di 22 MHz dato che, secondo il teorema di Shannon, la frequenza di campionamento deve essere almeno uguale o doppia del segnale da digitalizzare. Così alcuni canali ricoprono parzialmente i canali adiacenti, ragione per cui solitamente si usano dei canali isolati (i canali, 1, 6 e 11) distanti gli uni dagli altri di 25 Mhz.
Quindi, se due punti di accesso che usano gli stessi canali hanno delle zone di emissione che si intralciano, la trasmissione rischia di essere perturbata da segnali distorti. Per evitare qualsiasi interferenza si raccomanda di organizzare la ripartizione dei punti di accesso e l'utilizzo dei canali in modo tale da non avere due punti di accesso che usano gli stessi canali adiacenti:
Lo standard 802.11a utilizza la banda di frequenza da 5.15 Ghz a 5.35 GHz e la banda da 5.725 GHz a 5.825 GHz, il che permette di definire 8 canali distinti di una larghezza di 20 Mhz ciascuno, cioè una banda sufficientemente larga per non avere parassiti fra i canali.
La tecnologia infrarossi
Lo standard IEEE 802.11 prevede anche un'alternativa all'uso delle onde radio: la luce infrarossi. La tecnologia ad infrarossi ha come caratteristica principale l'utilizzo di un'onda luminosa per la trasmissione dei dati. Così le trasmissioni si fanno in modo unidirezionale, sia in "vista diretta" sia per riflesso. Il carattere non dissipativo delle onde luminose offre un livello di sicurezza più elevato.Grazie agli infrarossi è possibile ottenere delle capacità di banda che vanno da 1 a 2 Mbit/s utilizzando una modulazione detta PPM (pulse position modulation).
La modulazione PPM consiste nel trasmettere degli impulsi di ampiezza costante, e a codificare l'informazione secondo la posizione dell'impulso. La capacità di banda di 1 Mbps è ottenuta con una modulazione di 16-PPM, mentre la capacità di banda di 2 Mbps è ottenuta con una modulazione di 4-PPM che permette di codificare due bit di dati con 4 posizioni possibili:
Le tecniche di modulazione
Mentre la radio classica utilizza una modulazione di frequenza (radio FM per Frequency Modulation) oppure una modulazione di ampiezza (radio AM per Amplitude Modulation), lo standard 802.11b utilizza una tecnica di modulazione di fase detta PSK per Phase Shift Keying. Così ogni bit produce una rotazione di fase. Una rotazione di 180° permette di trasmettere delle capacità di banda più elevate (tecnica detta BPSK per Binary Phase Shift Keying ) mentre una serie di quattro rotazioni di 90° (tecnica detta QPSK per Quadrature Phase Shift Keying ) permette delle capacità di banda due volte maggiori.Ottimizzazione
La norma 802.11b propone altri tipi di codifica che permettono di ottimizzare la capacità di banda della trasmissione. Le due sequenze Barker non permettono di definire che due stati (0 o 1) attraverso due parole di 11 bit (complementari l'uno all'altro).Un metodo alternativo detto CCK (complementary code keying ) permette di codificare direttamente più bit di dati in un solo chip usando 8 sequenze da 64 bit. Così codificando simultaneamente 4 bit, il metodo CCK permette di ottenere una capacità di debito di 5.5 Mbps e una di 11 Mbps codificando 8 bit di dati.
La tecnologia PBCC (Packet Binary Convolutionnary Code) permette di rendere il segnale più robusto rispetto alle distorsioni dovute al percorso multiplo delle onde hertziane. Infatti la società Texas Instrument è riuscita a mettere a punto una sequenza che trae vantaggio da questa migliore resistenza alle interferenze e che offre una capacità di banda di 22 Mbit/s. Questa tecnologia battezzata 802.11b+ è tuttavia non conforme alla norma IEEE 802.11b il che rende le periferiche che la supportano non compatibili con le apparecchiature 802.11b.
La norma 802.11a agisce nella banda di frequenza dei 5 GHz, che offre 8 canali distinti, ragione per cui è proposta una tecnica di trasmissione alternativa che utilizza diversi canali. L'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) permette di ottenere delle capacità di banda teoriche di 54 Mbps inviando i dati in parallelo sulle diverse frequenze. In più la tecnica OFDM fa un utilizzo più razionale dello spettro:
| Technologi | Codifica | Tipo di modulazione | Debito |
|---|---|---|---|
| 802.11b | 11 bit (Barker sequence) | PSK | 1Mbps |
| 802.11b | 11 bit (Barker sequence) | QPSK | 2Mbps |
| 802.11b | CCK (4 bit) | QPSK | 5.5Mbps |
| 802.11b | CCK (8 bit) | QPSK | 11Mbps |
| 802.11a | CCK (8 bit) | OFDM | 54Mbps |
| 802.11g | CCK (8 bit) | OFDM | 54Mbps |
Foto: © Pixabay.
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