Tecnologie di trasmissione

TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectum)
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
IR (sistemi a raggi infrarossi)

Le prime due utilizzano le tecnologia a Spettro Espanso (Spread Spectrum) sviluppata in ambito militare per un utilizzo in sistemi di comunicazione affidabili e sicuri, ed anche per far fronte alla continua crescita di servizi wireless particolari.

Lo Spread Spectrum non ottimizza l'uso della banda o comunque occupa una maggior banda trasmissione radio, ma consente una miglior ricezione dei segnali deboli, garantisce l'affidabilità, integrità e sicurezza nelle trasmissioni, distribuendo il segnale attraverso l'intero spettro di frequenze.
Se un ricevitore non è sintonizzato sulla corretta frequenza, il segnale è simile a un rumore di fondo.

L'unico modo per poter interpretare i dati è quello di conoscere a priori i parametri di connessione.
Lo stesso discorso vale per i possibili disturbi che si possono arrecare alle comunicazioni: senza la conoscenza dei parametri della connessione non si è in grado di intercettare niente; anche facendo uno scanning su di un ampio spettro di frequenze sarebbe solo lavoro inutile.

Viene impiegata una modulazione gaussiana di tipo Fsk o Gfsk.
Nello specifico sono previste due tipologie di modulazione Gfsk:
Gfsk a 2 livelli con data rate 1Mbps e Gfsk a 4 livelli con data rate 2Mbps.

Vedi anche G. Luchesa: Tecnologie Radio Frequenza per la Comunicazione Dati (RF/DC) e Relativi Sistemi (pdf)

L'uso dello Spread Spectrum è particolarmente importante perché il segnale non rimare stabile su una singola frequenza e quindi permette a più utenti di operare simultaneamente, occupando la fascia per tutto il tempo assegnato su frequenze separate, compatibilmente con la larghezza di banda disponibile.

1. Tecnologia FHSS
(Dispersione di spettro a salto di frequenza)

La tecnica FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) è ottenuta facendo propriamente "saltare" il segnale da un canale all'altro, su un certo numero di frequenze portanti (frequency hopping). Gli hops corrispondono ai salti di frequenza all'interno della gamma assegnata (2,402 Ghz -2,480 Ghz salti di 1 Mhz, complessivamente 79 hops set, canali).

In altri termini si può dire che il segnale modula, nel corso del tempo di salto Th, una portante sempre diversa. La frequenza del segnale rimane costante per un determinato periodo di tempo. La durata di questo periodo determina se il sistema è veloce o lento, infatti se il salto della frequenza avviene con velocità superiore rispetto al bit-rate del messaggio allora il sistema è veloce, in caso contrario siamo in presenza di un sistema lento.

Il vantaggio di tale sistema, quando il rapporto fra la larghezza di banda originale del segnale e la larghezza di banda del segnale di diffusione è molto grande, è di offrire una grande immunità all'interferenza e all'intercettazione, in quanto risulta statisticamente impossibile poter ostruire tutte le frequenze che possono essere usate e l'implementazione di sistemi di filtri selettivi su frequenze diverse dalla frequenza del segnale, eccedenza 50dB.

La tecnologia consente a più utenti di condividere lo stesso insieme di frequenze cambiando automaticamente la frequenza di trasmissione fino a 1600 volte al secondo, al fine di una maggiore stabilità di connessione e di una riduzione delle interferenze tra canali di trasmissione.

2. Tecnologia DSSS
(Dispersione di spettro in banda base)

Nella tecnologia DSSS (detta anche a "frequenza diretta") il flusso di bit da trasmettere è associato ad una frequenza portante. Le informazioni presenti in quella portante vengono associate ad armoniche contenenti un flusso "pseudo-random" (che può essere replicato).

La portante cioè viene modulata da un codice digitale (codice di dispersione) dove il bit-rate del codice è superiore al bit-rate delle informazioni. Nel senso che ogni bit trasmesso viene disperso su una sequenza a 11 bit (sequenza Barker).
I bit del codice rappresentano uno schema di bit ridondante che viene applicato a ciascun bit delle informazioni da trasmettere. La stazione ricevente è poi in grado di recuperare le informazioni contenute nelle varie armoniche e ricostruire il flusso di dati originariamente trasmesso.

Questo schema di bit è chiamato chip o codice di chipping: più è lungo il codice di chipping e maggiori saranno le probabilità che un ricevitore possa ricostruire i dati originali.
Ovviamente, visto che ogni bit formante una determinata informazione viene modificato in più sequenze di bit, qui si necessita di una maggiore ampiezza di banda.

Vedi anche Assioma: Wireless Lan: usi e abusi (pdf)

Tale metodo è indicato per la trasmissione e ricezione di segnali deboli. L'immunità ai disturbi è data non dalla potenza trasmessa ma dal fatto che l'informazione è trasmessa in modo ridondante alle diverse armoniche.

Ulteriore caratteristica prevista dal protocollo prevede che al degradare del link tra access point e dispositivo remoto (o tra due card in reti ad-hoc) la velocità di trasferimento venga ridotta (gli step sono: 11 Mbps, 5,5 Mbps e 2 Mbps). Da posizioni particolarmente "infelici" pur continuando ad essere connessi, le prestazioni subiranno un notevole degrado.

In sintesi

FREQUENCY HOPPING (FHSS)

Alta potenza trasmessa su una piccola banda
La frequenza del segnale cambia diverse volte al secondo
Consente a più utenti di condividere lo stesso insieme di frequenze cambiando automaticamente la frequenza di trasmissione
Forte resistenza alle interferenze e riduzione delle interferenze tra canali di trasmissione
Maggiore stabilità di connessione
La velocità è limitata a 2 Mbps
Più costoso del DSSS

DIRECT SEQUENCE (DSSS)

Bassa potenza di emissione, il segnale è espanso in una ampia banda
Utilizza le stesse frequenze in modo costante
Minore resistenza alle interferenze
Migliore ricezione
Integrità del segnale
Maggiore robustezza, distribuendo il segnale attraverso l'intero spettro di frequenze
Velocità a 11 Mbps (interoperabile con 802.11b
Apparati più economici di quelli FHSS

3. Sistema a raggi infrarossi (IR)

Un terzo metodo utilizzato per l'implementazione di reti locali wireless si basa su comunicazioni a infrarossi. I sistemi di comunicazione a infrarossi usano frequenze elevate che si trovano appena sotto lo spettro elettromagnetico della luce visibile.
Le comunicazioni ad infrarossi non sono in grado di attraversare gli oggetti opachi (persino il vetro di una finestra attenua il raggio) e questo ne ha limitato di molto la diffusione.

Infatti se si dovesse implementare il collegamento tra due device tramite appunto l'infrarosso, i due device per potersi vedere necessitano sempre di un percorso a vista tra il ricevitore ed il trasmettitore.

Dal punto di vista della security il sistema a raggi infrarossi è immune all'intercettazione di dati, poiché, non potendo oltrepassare i corpi, limita di molto la diffusione del segnale.

Una rete wireless quindi può usare lo spettro elettromagnetico sotto forma di onde radio a infrarossi per le comunicazioni molto corte nella distanza (alcuni metri) con collegamento a vista. Poiché non sono necessari cavi per far comunicare un dispositivo con un altro, le comunicazioni avvengono senza alcuna connessione fisica.

L'IrDA (Infrared Device Application), è lo standard di interconnessione dati tramite infrarossi bidirezionale point-to-point tra dispositivi posizionati in visibilità reciproca (LoS, line of sight) con range ridotto a 1 - 2 metri e bit rate di 4 Mbps. Tali dispositivi sono indicati più per le comunicazioni che non per le reti vere e proprie.

Le trasmissioni dei dati sullo spettro delle frequenza sono regolamentate da enti governativi. Questi controllano, oltre alla banda utilizzata, anche la potenza del segnale emesso (p. es. in Italia, come in tutta l'area geografica europea, si può irrorare una potenza massima che secondo le ultime regolamentazioni è di 100 mw).

Area Geografica	Banda di Frequenza (MHZ)	Massima Potenza di Trasmissione
Nord America	2400-2483.5	1 W
Europa	2400-2483.5	100 mW
Giappone	2471-2497	10 mW/MHz

Tabella che descrive come un determinato materiale può provocare problemi in termini di segnale in una installazione di una Wireless Lan.

Barriera RF	Relativo degrado di segnale	Esempio
Legno	Basso	Tramezzo d'ufficio
Plastica	Basso	Muri interni
Materiali sintetici	Basso	Tramezzo d'ufficio
Amianto	Basso	Soffitto
Vetro	Basso	Finestre
Acqua	Medio	Legno umido o Acquario
Mattoni	Medio	Muri interni ed esterni
Marmo	Medio	Muri interni
Carta	Alto	Grandi cartine, giornali
Cemento Armato	Alto	Pavimento e muri esterni
Vetro antiproiettile	Alto	Separé di sicurezza
Metalli	Molto Alto	Scrivania, tramezzi d'uffici, armature in cemento armato

Problemi di trasmissione

I prodotti wireless per utenti finali sono progettati per funzionare, nel caso di notebooks o di handhelds, con batterie. I produttori di WLAN impiegano tecniche di progetto speciali per minimizzare l'uso di energia degli hosts e la vita della batteria.

Per quanto riguarda l'area di copertura va detto che la distanza alla quale possono comunicare onde RF e raggi IR è in funzione del progetto del prodotto (potenza di trasmissione ed efficienza del ricevitore) e del percorso di propagazione del segnale, specialmente in ambienti chiusi.
Le tipiche interazioni con gli oggetti interni all'edificio, inclusi arredamenti, pareti e persone, possono alterare la modalità di propagazione dei segnali, e quindi l'area di copertura del prodotto.
Gli oggetti opachi bloccano i segnali infrarossi, che pertanto impongono limitazioni supplementari.
La maggior parte delle WLAN usa segnali RF perché le onde radio possono penetrare gli ostacoli.
I raggi di copertura tipici per le WLAN variano dai 30 metri ai 300 metri. Tale area di copertura può essere estesa attraverso una struttura di celle.

Come le LAN cablate, il throughput attuale delle WLAN è dipendente dal prodotto e dalla configurazione usata. I fattori che influenzano il througput sono il numero di utenti, fattori di propagazione come il multipath, il tipo di WLAN usata, la latenza e colli di bottiglia sulle porzioni cablate delle LAN.
I flussi dati tipici per le applicazioni commerciali sono dell'ordine dei 1.6 Mbps.
Gli utenti di reti Ethernet tradizionali o Token Ring generalmente avvertono solo piccole differenze nelle prestazioni usando una WLAN che fornisce un livello di produttività sufficiente per le applicazioni da ufficio più comuni, includendo lo scambio della posta elettronica, accesso ad unità periferiche condivise, accesso ad Internet e accesso a database multi-utente.
Per effettuare un paragone, si considerino i flussi dati tipici di connessioni via modem a 56.6 Kbps: in termini di throughput, una WLAN che opera a 1.6 Mbps è all'incirca trenta volte più veloce

Le tecnologie wireless sono state perfezionate in più di cinquanta anni di applicazioni in sistemi commerciali e militari. Anche se le interferenze radio possono causare un degrado del throughput, tali interferenze sono rare nei posti di lavoro.
La progettazione robusta delle tecnologie WLAN e la distanza limitata sulla quale i segnali viaggiano rendono i collegamenti tra utenti remoti più robusti di collegamenti telefonici cellulari e forniscono prestazioni di integrità di dati uguale o migliori rispetto a trasmissioni cablate.

La particolare tecnologia RF utilizzata può essere fonte di una notevole quantità di problemi che derivano dalla coesistenza nello stesso ambiente di altri dispositivi funzionanti a frequenze simili a quelle delle WLAN: i forni a microonde, ad esempio, sono una preoccupazione potenziale ma, conoscendo il problema, i produttori di dispositivi per WLAN progettano i loro prodotti in modo tale da evitare, o minimizzare, gli effetti di tale tipo di interferenza. Un'altra preoccupazione è la coesistenza di più WLAN nello stesso ambiente.

Gli utenti dovrebbero essere consapevoli che WLAN di produttori diversi potrebbero non essere interoperabili per tre ragioni.
La prima ragione è che tecnologie diverse non possono interoperare: un sistema basato su tecnologia FHSS non potrà comunicare con un altro basato su tecnologia DSSS.
La seconda regione è che i sistemi che usano bande di frequenza diverse non possono interoperare anche se usano la stessa tecnologia.
La terza ragione è che sistemi di produttori diversi non possono interoperare, anche se impiegano la stessa tecnologia e la stessa banda di frequenza, per differenze nella realizzazione di ciascun venditore.

Ciononostante, un gran numero di WLAN s'interconnette con reti cablate come Ethernet o Token Ring. I nodi delle WLAN sono visti dai sistemi operativi di rete alla stessa maniera di qualsiasi altro nodo di una LAN mediante l'uso di appositi drivers che, una volta installati, li rendono equivalenti a qualsiasi altro componente di una rete cablata.