Algoritmi di accesso multiplo per reti di controllo wireless

Introduzione 
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In realtà esiste una terza categoria denominata firm di cui discuteremo nel secondo 
capitolo assieme ad una visione più ampia dei sistemi real-time.  
Nell’ambito della ricerca per i sistemi real-time si trovano moltissime 
problematiche stimolanti, dalle più generali come lo studio dell’organizzazione ottima 
dei processi a livello del sistema operativo (scheduling), di protocolli di comunicazione, 
di qualità delle elaborazioni in ambienti con poche risorse (come nel caso delle reti di 
sensori), sino ad arrivare allo studio delle particolari soluzioni ad hoc in contesti 
industriali particolari [9]. 
L’utilizzo di reti wireless nei sistemi real-time come mezzo di comunicazione 
introduce nuove  problematiche. Il principale problema che si presenta in sistemi real-
time basate su reti wireless è la forte contraddizione che c’è fra la definizione di sistema 
real-time e i protocolli utilizzati per il funzionamento di una rete wireless. Abbiamo gia 
detto che un sistema real-time deve essere altamente deterministico, mentre, vedremo 
più avanti, come il protocollo di accesso al canale in una rete wireless utilizza algoritmi 
basati sul caso. In particolare sono interessanti per sistemi hard real-time wireless le 
problematiche derivanti dalla vulnerabilità alle interferenze delle onde radio e alla 
rumorosità intrinseca delle trasmissioni. I segnali radio ad alta frequenza sono soggetti 
infatti alla riflessione e quindi vengono ricevuti più volte con sfasamenti temporali 
dipendenti dalla lunghezza del percorso compiuto. Questo tipo d’interferenza viene 
chiamata multipath fading [24]. Inoltre non si possono dimenticare le interferenze che le 
onde radio subiscono a causa della presenza di altri dispositivi radio che operano alle 
stesse frequenze. Ciò va a compromettere la stabilità del servizio e comporta una 
maggiore latenza delle schede wireless, il che va evidentemente contro i requisiti di 
determinismo che un sistema hard real-time richiede. 
Sistemi real-time usano di solito architetture hardware dedicate, sistemi operativi 
appositamente concepiti, programmi applicativi pensati appositamente. Le tre 
componenti sono spesso strettamente legate, in modo da conseguire le necessarie 
ottimizzazioni sui tempi. Come vedremo è possibile, integrando opportuni framework e 
modificando opportunamente il kernel, rendere real-time sistemi operativi comuni e 
hardware non dedicato. 
Il progetto RTnet [1], sviluppato presso l’ISE (Institute of Systems Engineering) 
dell’università di Hannover, è un framework open-source di networking che permette di 
realizzare un sistema di comunicazione hard real-time utilizzando schede di rete 
Introduzione 
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Ethernet [15] e normali PC; in questo modo è possibile ottenere una rete ad alte 
prestazioni senza dover ricorrere a soluzioni proprietarie o basate su hardware dedicato, 
avendo la possibilità di aggiungere e modificare il codice sorgente per adattarlo alle 
proprie esigenze. In questo lavoro di tesi sono state analizzate le prestazioni di RTnet in 
ambito wireless, utilizzando schede di rete conformi allo standard IEEE 802.11 [18] e 
sono stati studiati algoritmi di accesso multiplo allo scopo di valutare la possibilità di 
utilizzare una rete wireless come base per un sistema di controllo. 
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1 Le reti wireless 
1.1 Panoramica sulle reti wireless 
Una rete wireless permette alle persone di comunicare ed accedere alle 
applicazioni e alle informazioni senza connessioni fisiche. Ciò assicura libertà di 
movimento e possibilità di estendere le connessioni, tra i vari terminali, in luoghi dove 
non è possibile il passaggio di cavi o in generale l’uso degli stessi risulta essere 
eccessivamente costoso e si preferisce quindi l’uso di comunicazioni wireless più 
semplici da stabilire e più economiche.  
I terminali wireless comprendono una sempre più ampia varietà di dispositivi 
quali computer portatili, personal computer, server, stampanti, PDA (Personal Data 
Assistant), nonché videocamere, giocattoli, elettrodomestici, sistemi di sicurezza ecc.  
Come accade con le reti basate su cavi o fibre ottiche, le reti wireless permettono 
di scambiare informazioni tra dispositivi computerizzati. Le informazioni possono 
assumere la forma di messaggi di posta elettronica, pagine Web, flussi video o vocali. 
Nella maggior parte dei casi, le reti wireless trasferiscono dati, come file e messaggi di 
posta elettronica, ma i miglioramenti nelle prestazioni delle reti permettono anche di 
supportare comunicazioni video e vocali. Le reti wireless possono utilizzare onde radio 
o luce infrarossa per il trasporto delle informazioni. La maggior parte dei produttori 
integra ora nei dispositivi di elaborazione la scheda di interfaccia di rete wireless (NIC, 
Network Interface Card) e l’antenna, che risultano quindi invisibili all’utente. Questo 
rende i dispositivi di elaborazione wireless portatili e facili da utilizzare. Le reti wireless 
rientrano in numerose categorie, a seconda della vastità dell’area fisica che possono 
coprire. I seguenti tipi di reti wireless soddisfano i diversi requisiti degli utenti:  
Capitolo 1 - Le reti wireless 
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PAN Wireless 
Le PAN (Personal Area Network) wireless hanno una portata relativamente bassa 
(fino a 15 metri) e sono molto efficaci per soddisfare i requisiti all’interno di un piccolo 
spazio o dell’area d’azione di una persona. Le prestazioni delle PAN wireless sono 
moderate, con velocità di trasmissioni dati fino a 2 Mbps. Questi attributi soddisfano in 
molte situazioni l’esigenza di sostituire i cavi. Una PAN wireless, ad esempio, potrebbe 
consentire di sincronizzare in modo wireless il proprio PDA con un computer portatile o 
desktop. In modo analogo, una PAN wireless può fornire la connettività wireless ad una 
stampante. Il vantaggio di eliminare in questo modo il groviglio di cavi fra le periferiche 
è notevole; inoltre l’installazione e lo spostamento delle periferiche risultano molto 
semplici. 
Il basso consumo elettrico e il ridotto ingombro della maggior parte dei 
ricetrasmettitori rendono possibile il supporto efficiente di piccoli dispositivi 
equipaggiati con processori. Il minor consumo elettrico permette al dispositivo 
computerizzato di operare a lungo senza esaurire la batteria. 
La maggior parte delle PAN wireless utilizza le onde radio per trasferire le 
informazioni attraverso l’etere. Ad esempio, la specifica Bluetooth [16] definisce le 
operazioni di una PAN wireless che opera nella banda di frequenza 2,4 GHz con una 
portata di 15 metri e una velocità di trasmissione dati fino a 2Mbps. Inoltre, lo standard 
IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) 802.15 [17] incorpora la 
specifica Bluetooth per la PAN wireless. 
Alcune PAN wireless impiegano la luce infrarossa per trasferire le informazioni 
da un punto ad un altro. La specifica IrDA (Infrared Data Association) [22] definisce 
l’utilizzo di raggi infrarossi diretti per fornire trasmissioni con la portata massima di un 
metro e velocità di trasmissione di 4 Mbps. Il vantaggio della luce infrarossa consiste 
nella mancanza di interferenze radio, ma i requisiti di contatto visivo tra dispositivi 
computerizzati limitano il posizionamento dei componenti wireless. 
Capitolo 1 - Le reti wireless 
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Figura 1.1: Wireless PAN 
LAN Wireless 
Le LAN (Local Area Network) wireless forniscono prestazioni elevate all’interno 
e all’esterno di edifici commerciali, fabbriche e case. Di solito gli utenti di queste aree 
hanno computer portatili, PC e PDA con grandi schermi e processori che supportano 
applicazioni di livello più elevato. Scenario tipico è quello di un’università o di un 
ufficio che abbia installato uno o più punti di accesso (AP) wireless: è sufficiente 
entrare nel raggio d’azione di uno di questi AP per vedere il proprio portatile collegato 
alla rete dipartimentale; diventa così possibile spedire un’e-mail o accedere al Web 
mentre si è in aula o in cortile, ed anche mentre si passeggia lungo i corridoi del 
dipartimento. In questo senso, la tecnologia wireless è orientata ad offrire connettività 
ad una LAN cablata preesistente. In altri ambiti, è intesa a sostituire completamente 
l’uso di cavi di collegamento, anche per le postazioni fisse, qualora il cablaggio 
tradizionale risultasse troppo costoso o scomodo. È interessante notare come sempre più 
aeroporti, hotel, fiere ed anche negozi stiano installando AP atti ad offrire accessibilità 
Internet alla propria clientela. Spesso, in occasione di convegni e presentazioni, viene 
temporaneamente attivato un AP per intrattenere i presenti durante le pause. Il 
fenomeno è esplosivo: con l’aumentare della copertura, sempre più utenti saranno 
interessati ad acquistare interfacce wireless per i propri portatili, e con l’aumentare 
dell’utenza, sempre più locali pubblici saranno interessati a fornire copertura. All’inizio 
di questo fenomeno, a causa dell’eterogeneità delle tecnologie proposte, sorsero grossi 
Capitolo 1 - Le reti wireless 
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problemi di compatibilità, e subito apparve chiara la necessità di uno standard. Nel 1997 
il comitato IEEE approvò lo standard 802.11, le cui varianti 802.11b/g ad 11 e 54 Mbps 
[18], hanno riscontrato un grandissimo successo. Tale standard verrà analizzato 
successivamente. Per risolvere i problemi connessi all’interoperabilità dello standard 
802.11, la Wi-fi Alliance incorpora varie funzioni di 802.11 in uno standard definito 
Wireless Fidelity (Wi-Fi) [23]. Se un supporto LAN wireless soddisfa le specifiche Wi-
Fi, questo garantisce l’interoperabilità del prodotto con altri prodotti Wi-Fi. La 
maggiore apertura di Wi-Fi assicura che utenti diversi possano operare sulla stessa LAN 
wireless. Anche quando non è possibile installare un AP, permane la possibilità di 
instaurare una LAN wireless fra le stazioni presenti; in questo caso si parla di reti ad 
hoc o di MANET (Mobile Ad hoc NETwork). 
 
 
Figura 1.2: LAN wireless integrata in una LAN cablata Ethernet 
MAN Wireless 
Un altro dominio di applicazione è quello delle MAN (Metropolitan Area 
Network) wireless (broadband wireless o wireless local loop), che consente di 
distribuire dati (Internet, telefonia, on-demand cinema…) su di un agglomerato di case 
tramite una potente antenna. 
I Wireless Internet Service Providers (WISP) mettono a disposizione MAN 
wireless nelle città e nelle aree rurali per fornire connessioni wireless a utenti 
Capitolo 1 - Le reti wireless 
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residenziali e aziendali. Una MAN wireless offre vantaggi significativi quando le 
connessioni cablate tradizionali (come i modem DSL e via cavo) non sono installabili. 
Le MAN wireless sono efficienti quando le limitazioni del diritto di accesso rendono i 
sistemi cablati impossibili o troppo costosi. 
Le prestazioni delle MAN wireless sono alquanto variabili. Le connessioni tra 
edifici tramite raggi infrarossi possono raggiungere i 100 Gbps e oltre, mentre i 
collegamenti radio su una distanza di 30 chilometri potrebbero non superare i 100 kbps. 
Le prestazioni effettive dipendono dalla scelta effettuata in un vasto assortimento di 
tecnologie e componenti. 
Sul mercato esistono molte soluzioni MAN wireless, ma il mercato sta iniziando a 
consolidarsi sull’utilizzo degli standard. Alcuni fornitori utilizzano lo standard IEEE 
802.11 come base per le MAN wireless ma un numero sempre più grande di aziende ora 
inizia ad installare sistemi IEEE 802.16 [20], uno standard relativamente nuovo i cui 
prodotti stanno iniziando ora ad essere disponibili. 
 
 
 
Figura 1.3: Wireless MAN 
WAN Wireless 
Le WAN (Wide Area Network) wireless offrono applicazioni mobili che coprono 
vaste aree, come uno stato o un continente. A differenza delle WLAN  le WWAN 
utilizzano le tecnologie a rete cellulare come UMTS, GPRS, CDMA2000, GSM, 
CDPD, Mobitex, HSDPA O 3G per trasferire dati.  A causa delle economie di scala, un 
operatore di telecomunicazioni può agevolmente realizzare un’infrastruttura wireless 
Capitolo 1 - Le reti wireless 
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WAN, relativamente costosa, per fornire la connettività a lungo raggio per una vasta 
clientela.  
Le WAN wireless hanno una copertura quasi universale attraverso la 
cooperazione di più società di telecomunicazioni. Accordi di roaming consolidati tra gli 
operatori di telecomunicazioni permettono connessioni continue che forniscono 
immediatamente comunicazioni digitali mobili. Pagando un solo provider di 
telecomunicazioni, un utente può accedere a servizi Internet limitati su una WAN 
wireless da qualsiasi luogo del mondo. 
Negli ultimi tempi si sta sviluppando una nuova tecnologia di trasmissione senza 
fili per l’accesso a banda larga: il WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave 
Access). La tecnologia supporta velocità di trasmissione di dati condivisi fino a 70 
Mbit/s in aree metropolitane. Attualmente questa tecnologia è ancora in fase di sviluppo 
e presenta ancora vari problemi. 
 
 
Figura 1.4: Wireless WAN 
1.2 Standard 802.11 
IEEE 802.11 [18] definisce uno standard per le reti WLAN sviluppato dal gruppo 
11 dell’IEEE 802, in particolare il livello fisico e il sottolivello MAC (Medium Access 
Control) facente parte del livello Data Link del modello ISO/OSI [15], specificando sia 
l’interfaccia tra client e base station (o access point) sia tra client wireless.