Impatto del carrier sensing e della Fresnel zone in reti locali wireless ad hoc 802.11

Introduzione 
 
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nodi della rete non potevano più essere fissi a causa della mobilità da parte dell’utente. Da 
qui infatti nasce il concetto del mobile computing. 
Il mobile computing può essere considerato lo sviluppo successivo delle reti di 
computer fisse o wired come per i telefoni cellulari sono i mobile smartphone. Questo 
concetto infatti estende la local area network, che è puramente wired, in una wireless local 
area network (WLAN) che può essere mista, cioè wired e wireless al tempo stesso 
(infrastructured network), o puramente wireless (ad hoc network). 
Le infrastructured network sono costituite da gateway fissi e cablati, e da bridge tra 
la rete wireless e la rete fissa, che essi stessi sono delle stazioni base, chiamati access-
point. Questi punti di accesso gestiscono il traffico tra i computer fissi ed i computer 
mobili che in quel momento si trovano nel loro raggio di comunicazione. Questa 
architettura di rete wireless ricorda molto quella usata per la telefonia cellulare in cui le 
stazioni radio base sono gli access-point e i cellulari sono i computer portatili, ripetendone 
in maniera analoga alcune problematiche. Una di queste, ad esempio, è gestire in maniera 
efficiente l’handoff presente durante il movimento di un portatile che esce dal raggio 
d’azione di un access-point ed entra in quello di un altro, garantendone così la continuità 
della comunicazione  dei dati tra il portatile e la rete. 
Il secondo tipo di reti wireless è la rete mobile senza infrastruttura fissa 
comunemente conosciuta come ad hoc network. Reti come questa non hanno router fissi e 
tutti i nodi hanno la possibilità di muoversi e di connettersi tra loro in modo puramente 
arbitrario. I nodi di questa rete funzionano come dei router che scoprono e mantengono i 
percorsi verso altri nodi. Esempio di applicazioni delle reti ad hoc sono le operazioni di 
ricerca e salvataggio di emergenza, meeting o convention nei quali i partecipanti 
desiderano condividere velocemente le loro informazioni, e l’operazione di acquisizione 
dei dati in zone della Terra inospitali. 
In seguito ci interesseremo principalmente delle ad hoc networks e di tre 
problematiche che possono incidere negativamente sulle loro prestazioni: la Fresnel Zone, 
la zona di Carrier Sensing e la presenza di connessioni Multi Rate. 
Abbiamo affrontato queste problematiche compiendo alcune serie di esperimenti in 
outdoor, per i primi due aspetti, e di una serie di esperimenti in indoor, per l’ultimo, 
utilizzando sempre reti ad hoc statiche. 
Introduzione 
 
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La struttura della tesi è la seguente: 
‰ Capitolo 1: fornisce una descrizione delle WLAN in termini di caratteristiche, di 
tecnologie usate e di possibili applicazioni; 
‰ Capitolo 2: descrive in maniera dettagliata lo standard IEEE 802.11; 
‰ Capitolo 3: presenta l’ambiente di sperimentazione, descrivendone gli strumenti 
software ed hardware utilizzati; 
‰ Capitolo 4: descrive gli esperimenti effettuati e la loro analisi; 
‰ Capitolo 5: sintetizza i risultati del lavoro compiuto indicandone possibili sviluppi. 
Capitolo 1: Introduzione alle reti wireless 
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Capitolo 1. Introduzione alle reti wireless 
  
 
 
 
 
 
 
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Introduzione alle reti wireless 
 
 
 
Le reti wireless sono un sistema di comunicazione dati, generalmente basato su 
trasmissioni via radio, implementato come estensione o come alternativa ad una rete locale 
cablata. 
Sin dalla loro nascita agli inizi degli anni ’70, le reti wireless hanno avuto il loro 
principale utilizzo in ambito militare ([1.1]). Chiamate inizialmente packet radio network 
(PRNET) dal Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), sono state ideate in 
ambito bellico per mantenere una comunicazione tra il quartier generale ed i vari 
accampamenti militari posti in zone di guerra. 
In seguito, il progetto delle reti wireless è stato approfondito anche in ambiente 
civile ed è stato implementato in gran parte nelle industrie. Un forte sviluppo si è verificato 
soprattutto negli anni ‘90 in cui molte aziende con problemi di budget sul cablaggio dei 
loro edifici hanno preferito adottare questo tipo di rete. Si sono venute a creare così le 
wireless local area network o WLAN. In questi ultimi anni è poi sentita la necessità di 
disporre di una certa mobilità dei computer pur mantenendo la loro connessione alla rete 
locale. Grazie alla crescita esponenziale delle prestazione dei computer portatili ed ultimi i 
palmari, veri gioielli della tecnologia odierna. 
Capitolo 1: Introduzione alle reti wireless 1.1 Caratteristiche di una WLAN 
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Come abbiamo accennato in precedenza, la prima implementazione delle wireless 
networks erano le PRNET, reti totalmente asincrone e completamente distribuite che 
gestivano il traffico di dati abbastanza bene ma non offrivano alcuna efficienza per la 
trasmissione di dati multimediali. 
In seguito, sotto il Wireless Adaptive Mobile Information Systems
4
 (WAMIS) e 
Glomo ARPA programs, sono state sviluppate architetture  di reti wireless che, fornendo 
una certa forma di sincronismo e di time-division, riuscivano a garantire diverse 
implementazioni efficienti per la trasmissione di dati multimediali. Tuttavia introducevano 
molta più complessità ed erano poco robuste ai cambiamenti topologici della rete e 
all’indebolimento del canale di trasmissione. 
Chiaramente è necessario raggiungere una sorta di compromesso tra la complessità 
e le prestazioni volute nell’introduzione di vari gradi di sincronizzazione all’interno della 
rete: dalla PRNET completamente asincrona alla Cluster TDMA ([1.2]) strettamente 
sincronizzata. 
Attualmente la tecnologia più innovativa nel campo delle wireless networks è lo 
standard IEEE 802.11 promossa dall’Institute of Electrical and Electronics  Engineers 
(vedere capitolo 2). Questo protocollo viene implementato nella maggior parte delle schede 
di rete wireless esistenti sul mercato e può gestire le reti con e senza infrastruttura ad una 
velocità di 11 Mbits/sec (o Mbps) ed oltre, come lo standard IEEE 802.11g che raggiunge 
54 Mbit/sec ([1.3]). 
 
1.1 Caratteristiche di una WLAN 
 
Oltre alle caratteristiche tipiche di una rete cablata, quali per esempio una completa 
connessione di tutti i terminali e una capacità di trasmissione elevata, una rete wireless ha 
caratteristiche peculiari dipendenti dalla tecnologia con la quale è stata creata: 
 
™ Throughtput: è un parametro fondamentale da prendere in 
considerazione nell’implementazione di una WLAN 
poiché rappresenta l’indice delle prestazioni di una rete ed 
anche la percentuale di utilizzo del mezzo trasmissivo. I 
                                                 
4
 A. Alwan, R. Bagrodia, N. Bambos, M. Gerla, L. Kleinrock, J. Short, J. Villasenor, “Adaptive mobile 
networks”, IEEE Personal Communications, April 1996, pp. 34-51. 
Capitolo 1: Introduzione alle reti wireless 1.1 Caratteristiche di una WLAN 
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vari protocolli implementati, quindi, dovrebbero garantire 
un utilizzo ottimizzato del canale wireless al fine di 
permettere la massimizzazione della capacità. 
 
™ Scalabilità: è abbastanza elevato poiché la tecnologia wireless gestisce 
le comunicazioni di molte stazioni attraverso una struttura 
a celle multiple
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. Quindi la necessità di avere protocolli di 
accesso al canale “performanti”
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 è necessaria poiché la 
loro assenza comprometterebbe le prestazioni della rete 
stessa. 
 
™ Raggio di copertura: è un parametro variabile dipendente sia dalla natura non 
lineare del canale trasmissivo che da molti fattori fisici 
come l’interferenza dovuta ad oggetti presenti sulla 
traiettoria del segnale o dalla presenza di altre reti wireless. 
In genere questa grandezza è dell’ordine delle centinaia di 
metri. 
 
™ Capacità connettiva 
con altri tipi di LAN: 
indispensabile per avere un accesso ad aree della rete 
implementate con tecnologia puramente wired. I punti di 
contatto tra queste due tecnologie possono essere ad 
esempio access point o computer fissi funzionanti da 
router che hanno più schede di rete tra cui una wireless. 
 
™ Robustezza: parametro fondamentale quanto il throughput poiché, data 
la natura “rumorosa” del canale trasmissivo, le connessioni 
devono essere garantite ed i dati scambiati devono essere 
integri.  
 
™ Sicurezza: aspetto importante data la natura intrinseca della rete, 
infatti, una comunicazione wireless è gestita in broadcast e 
                                                 
5
  Proprio come la tecnologia usata per la telefonia cellulare. 
6
  Inglesismo tratto dal termine performance (prestazione) che significa, in questo caso, l’ottimizzazione 
dell’accesso al canale per aumentare le prestazioni della rete wireless. 
Capitolo 1: Introduzione alle reti wireless 1.1 Caratteristiche di una WLAN 
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quindi visibile da qualsiasi stazione. Algoritmi di 
encryption sono necessari per garantire comunicazioni 
sicure e private. 
 
™ Gestione dei consumi: aspetto vitale perché l’hardware utilizzato in genere è 
mobile, come portatili e palmari che hanno come fonte di 
alimentazione limitata le batterie. Questo aspetto è 
influenzato molto dai protocolli di accesso al canale che, 
non ottimizzando l’hand-shake delle comunicazioni con le 
stazioni base, aumentano gli sprechi di energia. 
 
™ Handoff / roaming: come per la telefonia mobile, la WLAN deve garantire la 
mobilità delle stazioni all’interno dell’intera rete e quindi il 
passaggio da una cella all’altra deve essere trasparente 
all’utente e non deve creare perdite di dati. 
 
1.2 Configurazione di una WLAN 
 
Come abbiamo visto in precedenza ci sono due possibili topologie di rete 
implementabili tramite la tecnologia wireless ([1.4] e [1.5]): 
 
• Infrastructured Network. 
• Ad hoc Network; 
 
Una infrastructured network è una rete analoga a quella usata per la telefonia 
cellulare; è infatti composta da nodi mobili comunicanti tra loro con l’ausilio di 
infrastrutture (vedi Fig. 1.2.1): le stazioni radio base, chiamate access point (AP), sono 
apparecchiature che permettono la connessione della rete wireless ad una rete di tipo wired 
(per esempio una rete Ethernet); i ripetitori di segnale, che non sono altro delle antenne 
omni-direzionali e direzionali, che estendono la rete wireless in una certa direzione 
minimizzando le relative interferenze. 
L’area di copertura di un AP viene chiamata cella ed utilizza un canale diverso da 
quello usato dalle celle vicine per evitare interferenza tra loro. Ogni stazione contenuta in 
Capitolo 1: Introduzione alle reti wireless 1.2 Configurazione di una WLAN 
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una o più celle contigue è registrata all’access point avente l’energia del segnale maggiore 
rispetto agli altri (non è detto che sia quello più vicino). Quando il nodo si muove e 
raggiunge un’altra cella, per evitare la perdita di dati e quindi la connessione alla rete, 
viene eseguito il processo di roaming, cioè la registrazione al nuovo AP proprietario della 
cella ed il trasferimento dei dati scambiati dall’access point attuale a quello nuovo. 
L’access point inoltre si preoccupa di fare il forwarding dei pacchetti destinati a 
nodi della rete lontani rispetto alla stazione che lo ha trasmesso. Questo tipo di reti può 
essere particolarmente utile laddove siano già presenti wired LAN e si voglia creare 
un’estensione della rete stessa usando connessioni senza fili.  
 
 
Una ad hoc network, 
anche conosciuta come modalità 
di comunicazione peer-to-peer 
(vedere Fig. 1.2.2), è composta da 
un stazioni dotate di supporto 
wireless che comunicano tra di 
loro senza l’ausilio di stazioni 
fisse come gli access point. 
Quindi tutti i nodi della rete sono 
uguali ed hanno il medesimo 
diritto di accesso al canale 
trasmissivo. Ogni stazione può comunicare solo con i nodi appartenenti alla sua rete e, più 
precisamente, può trasferire i dati direttamente a quelli appartenenti alla sua zona di 
copertura. Anche qui abbiamo il forwarding dei pacchetti in una comunicazione di due 
Figura 1.2.1. Infrastructured network. 
Figura 1.2.2. Ad hoc network. 
Capitolo 1: Introduzione alle reti wireless 1.2 Configurazione di una WLAN 
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nodi della rete lontani e non appartenenti allo stesso raggio di copertura, infatti ogni nodo 
della rete compie funzioni di routing dei pacchetti (reti wireless ad hoc multi-hop). 
Questo tipo di reti sono particolarmente adatte ad ambienti circoscritti ed in 
situazioni nelle quali è richiesta la presenza di reti locali temporanee come il reperimento 
delle informazioni in zone colpite da calamità naturali. 
 
1.3 Livelli fisici nelle WLAN 
 
Una suddivisione delle reti wireless può essere fatta anche a livello fisico a 
seconda della tecnologia adottata nella realizzazione della trasmissione dei dati. Le 
tecnologie presenti oggi sono: 
 
♦ Narrowband Microwave LAN: reti wireless che utilizzano una banda limitata di 
frequenze radio. L’utilizzo di questa tecnica è 
subordinato alle normative vigenti in ogni stato poiché 
la banda di frequenze utilizzata è sottoposta al rilascio 
di licenze al fine di evitare, all’interno di definite aree 
geografiche, interferenze tra i vari sistemi. Di solito il 
sistema Narrowband viene utilizzato per trasmissione 
dati, voce e video. 
 
♦ Spread Spectrum LAN: reti wireless che utilizzano la banda larga di frequenze 
radio ISM (Industrial, Scientific and Medical) tra i 900 
MHz e i 2.4 GHz. Esse sono state sviluppate 
inizialmente in ambito militare per ottenere sistemi di 
comunicazioni particolarmente sicuri in cui le 
frequenze sono riassegnabili. L’idea di base di questa 
metodologia di trasmissione è quella di estendere il 
messaggio da trasmettere su una vasta banda in modo 
da rendere più difficile la presenza di interferenze e di 
intercettazioni. Le reti wireless attuali utilizzano due 
tecniche di trasmissione “a banda larga” chiamate 
Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) e la più
Capitolo 1: Introduzione alle reti wireless 1.3 Livelli fisici delle WLAN 
 7
recente Direct-Sequence Spread Spectrum  (DSSS). 
Esse si differenziano per il metodo adottato durante la 
modulazione del segnale (vedere paragrafo 2.2.1). 
Entrambe le metodologie sono decritte nelle specifiche 
del livello fisico nello standard IEEE 802.11 ([2.1]). 
Ogni sistema Spread Sprectum ha in linea di massima 
la seguente struttura: i dati da trasmettere vengono 
trasformati da un codificatore in un segnale analogico 
con una banda limitata attorno ad una frequenza 
centrale, il risultato di questa codifica viene modulato 
usando una sequenza di cifre pseudocasuali. L’effetto 
della modulazione è quello di incrementare 
notevolmente la banda del segnale. Il ricevitore utilizza 
la stessa sequenza di cifre pseudocasuali per 
demodulare il segnale, effettuando così una decodifica 
ed ottenendo i dati inviati dal mittente. I numeri 
pseudocasuali usati per la modulazione e 
demodulazione del segnale, sono ottenuti da un 
algoritmo deterministico usando un valore iniziale 
chiamato seme. Senza la conoscenza dell’algoritmo e 
del seme, è praticamente impossibile poter predire la 
sequenza dei numeri che verranno generati. Il mittente 
condivide queste informazioni solo con la stazione 
destinataria che sarà così l’unica in grado di 
decodificare il messaggio con successo. 
 
♦ Infrared (IR) LAN: reti wireless che utilizzano la banda di frequenze al di 
sotto del visibile e al di sopra delle microonde. Il fatto 
che i segnali a queste frequenze non possano 
oltrepassare corpi opachi fa si che l’utilizzo di reti che 
utilizzano questa tecnica siano limitate ad aree piccole 
e prive di ostacoli. D’altra parte questi segnali hanno la 
caratteristica di “rimbalzare” tra gli oggetti opachi e 
quindi, con qualche accorgimento e con l’aiuto di 
Capitolo 1: Introduzione alle reti wireless 1.3 Livelli fisici delle WLAN 
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amplificatori di segnale, si può coprire zone che non 
potrebbero essere raggiungiunte in maniera diretta. 
Una peculiarità positiva di queste reti è la possibilità di 
raggiungere data-rate elevati poiché lo spettro 
dell’infrarosso è virtualmente illimitato. 
 
1.4 Protocolli di accesso al canale nelle WLAN 
 
Come abbiamo visto nel paragrafo 1.1, durante la descrizione delle caratteristiche 
salienti delle wireless LAN, l’aspetto fondamentale di una rete “senza fili” riguarda la 
regolamentazione dell’accesso all’unico canale di comunicazione disponibile da parte delle 
stazioni che intendono effettuare una trasmissione e di tutte le problematiche che ne 
conseguono. Esiste una categoria di protocolli che tenta di risolvere questi aspetti, il suo 
nome è Medium Access Control Protocol (MAC). I protocolli MAC, infatti, si prefiggono 
di gestire l’uso del canale trasmissivo in modo che ogni stazione vi acceda in maniera 
equa. Questa politica di fairness riduce eventuali interferenze che si possono venire a 
creare per la presenza di due o più connessioni contemporanee e aumenta così le 
prestazioni di tutta la rete wireless. Facendo riferimento alla Fig. 2.2.2 del modello di 
riferimento OSI, i protocolli MAC sono collocati nel Data Link Layer, nell’interfaccia 
verso il Physical Layer. I tre metodi di accesso principali sono: 
• Time Division Multiplex Access (TDMA); 
• Frequency Division Multiplex Access (FDMA); 
• Carrier Sense Multiple Access (CSMA); 
Analizziamoli più in dettaglio. 
 
1.4.1 Time Division Multiplex Access 
 
Il meccanismo di accesso TDMA, nato nell’ambito delle comunicazioni cellulari, è 
vantaggioso perché non richiede una vasta gamma di frequenze ed in più è la tecnica usata 
per la trasmissione di traffico voce poiché questo è caratterizzato dall’avere durata 
prevedibile. Infatti questo meccanismo divide ogni canale in slot temporali ordinati per 
aumentare la quantità di dati trasferibile.