Simulazione dei protocolli wireless LAN IEEE 802.11a e 802.11b

Introduzione
Negli ultimi anni le crescenti esigenze da parte degli utenti del mercato delle tele-
comunicazioni hanno fornito una prepotente spinta allo sviluppo delle reti locali.
Queste, storicamente nate dalla necessita` di condividere informazioni in un ambito
geograficamente ristretto, assumono sempre piu` spesso connotati diversi. Infatti,
se da un lato si e` cercato di perfezionare le tecniche di comunicazione tra i terminali,
in modo da ottenere robustezza e velocita` (espresse in termini di bit rate) elevate,
dall’altro la spinta odierna porta a definire delle caratteristiche che fino a pochi
anni fa nessuno riteneva importanti. Tra queste possiamo ricordare, ad esempio, la
flessibilita`, la qualita` di servizio, la mobilita` e la sicurezza.
Perch·e wireless? Nelle reti locali tradizionali i terminali sono collegati grazie
all’uso di cavi, switch, hub e altre apparecchiature del gene-
re. Cio` costituisce di per se´ una limitazione per questo tipo di reti, in quanto puo`
essere difficoltoso, oltreche´ costoso, cablare edifici con muri spessi, oppure colle-
gare due sedi separate da una strada. Per di piu`, riprogettare la topologia di una
rete puo` essere un’operazione assai impegnativa, soprattutto se essa e` di grandi
dimensioni; di conseguenza, occorre prevedere le istanze future gia` in fase di in-
stallazione, ricorrendo anche a stratagemmi poco vantaggiosi, come ad esempio il
sovradimensionamento.
In una rete locale wireless (WLAN) le stazioni utilizzano il canale radio per
comunicare. L’assenza di fili rende piu` economica la realizzazione della topologia
di rete e consente, all’occorrenza, una rapida riconfigurazione. Oltre al tradizionale
collegamento tra computer fissi, le wireless LAN offrono la possibilita` di connettere
terminali mobili, conservandone la mobilita`. Per quanto riguarda le applicazioni
multimediali, invece, le attuali caratteristiche delle reti wireless non sono ancora in
grado di garantire buone prestazioni.
I protocolli IEEE 802.11x costituiscono il piu` famoso e diffuso esempio di stan-
dard per reti wireless. Il primo documento 802.11 e` stato approvato nel 1997, cui
hanno fatto seguito, nel 1999, due aggiornamenti (802.11a/b) che ne migliorano le
prestazioni.
XXIV Introduzione
Un futuro multimodo Molti produttori di apparati wireless, tra cui la Texas In-
struments, sono convinti che il futuro delle reti debba ne-
cessariamente passare attraverso architetture che supportino contemporaneamente
piu` standard. Questo offrirebbe sicuramente molti vantaggi: infatti, la possibilita`
di avere a disposizione diversi protocolli permetterebbe di disporre dei pregi di
ognuno di essi.
D’altra parte, le difficolta` prospettate da uno scenario simile non sono poche.
Innanzitutto occorre che i gestori dei servizi regolamentati trovino un accordo per
consentire l’accesso alle proprie reti. Un secondo problema, altrettanto complesso,
e` quello di valutare le prestazioni e la convenienza economica che si avrebbe nel
realizzare terminali multiprotocollo; basti solo pensare al fatto che questi terminali
dovrebbero essere in gradodi operare sudue opiu` bandediverse, conovvio impatto
sulla realizzazione delle parti circuitali.
In Italia, il Ministero dell’Istruzione, dell’Universita` e della Ricerca ha promosso
un progetto nell’ambito FIRB cui partecipano principalmente l’Universita` di Bolo-
gna, l’Universita` di Pavia e la ST Microelectronics, oltre ad altri Atenei. Scopo della
ricerca e` quello di implementare, partendo dalla conoscenza dei diversi standard
e modi di funzionamento, architetture e blocchi circuitali costitutivi del termina-
le mobile che ne premettano la multifunzionalita` in modo efficiente, economico e
compatto. La riconfigurabilita` dell’hardware dovra` essere controllata via software,
utilizzando la stessa tecnologia CMOS a 0.13 µm. Il risultato atteso, dopo i tre anni
di ricerca previsti, e` la realizzazione del front-end a radio frequenza, della sezione di
elaborazione a frequenza intermedia e del blocco di elaborazione digitale in banda
base di un terminale multistandard.
Obiettivi della tesi Nell’ottica della realizzazione di terminali multistandard, si
vuole, in primo luogo, analizzare le caratteristiche dello strato
fisico degli standard 802.11a/b, con particolare riferimento alle tecniche di codifi-
ca/modulazione (capitoli 1, 2 e 3). Ci si propone, poi, di costruire uno schema di
simulazione che tratti unitariamente i due sistemi, proponendo alcuni modelli dei
dispositivi in gioco, quali amplificatori, filtri e oscillatori (capitolo 4). Infine, si
vogliono caratterizzare le prestazioni dei due standard su canale AWGN e canale
affetto da camminimultipli, in presenza di disturbi aggiuntivi quali le non linearita`,
il rumore di fase e l’interferenza da canale adiacente (capitolo 5).
Si cerchera` di fornire alcune soluzioni per l’architettura di un sistema riconfi-
gurabile, traducendo i risultati ottenuti in specifiche di progetto di alcune parti del
sistema (cifra di rumore del LNA, fattore di roll-off del filtro del ricevitore).
4.6 Caratterizzazione degli amplificatori 77
PSfrag replacements
0
0
0.2
0.2
0.4
0.4
0.6
0.6
0.8
0.8
1
1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
AM-AM
AM-PM
αa r
r−1 dB ≈ 0.3255
r
A
(
r
)
,
Φ
(
r
)
(
r
a
d
)
Figura 4.7  Curve AM-AM e AM-PM secondo il modello Saleh con αa = 2.1587,
βa = 1.1517, αφ = 4.033, βφ = 9.1040. La retta evidenziata rappresenta il compor-
tamento ideale; lo scostamento da essa  e de nito dal punto di compressione ad
1 dB.
Definiamo convenzionalmente rsat come quel valore di r che rendemassimaA(r):
rsat = argmaxA(r). (4.24)
Uguagliando a 0 l’epressione gia` trovata per la derivata prima di A(r) si trova:
1 + βar2 − 2βar2 = 0,
da cui:
rsat =
1√
βa
. (4.25)
4.6.2 Modello di
Ghorbani
Considerazioni analoghe a quelle fatte per Saleh valgono per
la proposta di Ghorbani [26]. Le equazioni (4.18) sono ancora
valide, mentre e` diversa la forma delle curve A e Φ, le quali
dipendono da 4 parametri ognuna:
A(r) = x1r
x2
1 + x3rx2
+ x4r, (4.26a)
Φ(r) =
y1r
y2
1 + y3ry2
+ y4r. (4.26b)
78 Scelta dei modelli e caratteristiche del simulatore
Lo stesso Ghorbani ha fornito alcune curve, in riferimento ad un SSPA in tecnologia
GeAs FET, illustrate in figura 4.8. Nella stessa figura e` riportato anche l’andamento
delle curve di Saleh che meglio approssimano lo stesso dispositivo; dal confronto
emerge una sostanziale uguaglianza per quanto riguarda le curve AM-PM, mentre
le caratteristiche AM-AM mostrano una certa difformita`.
PSfrag replacements
0
0
0.2
0.2
0.4
0.4
0.6
0.6
0.8
0.8
1
1
1.2
1.2 1.4 1.6 1.8 2
Saleh
B(r) = −0.059 + 2.482r
r−1 dB ≈ 0.293
Ghorbani
r
A
(
r
)
,
Φ
(
r
)
(
r
a
d
)
Figura 4.8  Modello Ghorbani, con parametri x1 = 8.1081, x2 = 1.5413, x3 = 6.5202,
x4 = −0.0718, y1 = 4.6645, y2 = 2.0965, y3 = 10.88, y4 = −0.003. L’analogo modello
Saleh ha parametri αa = 1.3325, βa = 0.3403, αφ = 5.4514, βφ = 12.9957.
La retta tangente ad A(r) nell’origine non fornisce informazioni riguardo alla
compressione del guadagno, in quanto A(r) presenta un flesso in prossimita` dell’o-
rigine stessa. Per ricavare il punto di compressione ad 1 dB si puo`, in alternativa,
considerare la retta B(r) passante per tale flesso, ed imporre:
20 log10 B(r−1 dB) − 20 log10 A(r−1 dB) = 1. (4.27)
A tal proposito, le derivate prima e seconda di A(r) sono, rispettivamente:
dA(r)
d r
=
x1x2r
x2
r (1 + x3rx2)2
+ x4 (4.28a)
d2 A(r)
d r2
=
x1x2r
x2 [(x2 − 1)x3rx2 − 2x2x3rx2 + x2 − 1]
r2 (1 + x3rx2)3
(4.28b)
102 Risultati delle simulazioni
PSfrag replacements
1
2 3 4 5 6
10
10
10
10
10
−2
−4
−5
−1
−3
Single Channel
Channel + Interferer
B
E
R
Eb/N0 (dB)
(a)
PSfrag replacements
2 3 4 5
10
10
10
10
10
Single Channel
Channel + Interferer
−2
−5
−3
−1
−4
B
E
R
Eb/N0 (dB)
(b)
PSfrag replacements
4 5 6 7 8
10
10
10
10
10
−2
−4
−5
−1
−3
−6
Single Channel
Channel + Interferer
B
E
R
Eb/N0 (dB)
(c)
PSfrag replacements
2
3
4
5
10
10
10
10
10
10
10 11 12 13
Single Channel
Channel + Interferer
−2
−4
−5
−1
−3
−6
B
E
R
Eb/N0 (dB)
(d)
Figura 5.11  Prestazioni in presenza di interferente per 802.11a (α = 0.22) nei
casi: (a) 9 Mbps; (b) 18 Mbps; (c) 24 Mbps; (d) 54 Mbps.
Capitolo 6
Conclusioni
Sono state analizzate e descritte le caratteristiche dei sistemi 802.11a/b, in particolare
quelle dello strato fisico. Le soluzioni adottate dall’802.11b sono definite in manie-
ra da estendere le funzionalita` dell’802.11, e quindi rispecchiano una sostanziale
tradizionalita` degli schemi di modulazione e codifica, complicate, pero`, dal fatto di
voler mantenere una compatibilita` con il vecchio standard. L’802.11a, invece, nasce
ex-novo, e quindi presenta, pur nella varieta` delle tecniche di codifica/modulazione,
una sostanziale unitarieta`.
L’802.11a consente, grazie alla modulazione OFDM, di raggiungere bit rate ele-
vate (fino a 54 Mbps), mentre l’802.11b permette, al massimo, di avere una velocita`
di 11 Mbps; tuttavia, le maggiori velocita` del primo caso sono ottenute grazie a
modulazioni di ordine elevato (64 QAM) e codifiche con rate alte (r = 3/4), le quali
hanno il difetto di essere molto sensibili ai disturbi. Ad esempio, la degradazione
dovuta alle non linearita` dell’amplificatore di potenza e` tale da rendere obbligatorio,
nei segnali a 54 Mbps, l’utilizzo di dispositivi quali predistorsori o equalizzatori.
Il confronto tra i due sistemi va allora effettuato solo considerando bit rate piu`
basse; paragoniamo, ad esempio, l’802.11b con modulazione CCK a 11 Mbps e
l’802.11a a 18 Mbps.
Oltre al fatto di consentire una bit rate maggiore, il sistema 802.11a permette,
con una BER di 10−5, di lavorare con un Eb/N0 inferiore di 2.5 dB (su canale AWGN),
offrendo anche una pari efficienza spettrale.
In presenza di interferenza da canale adiacente, il sistema 802.11b ottiene pre-
stazioni migliori, merito del fatto che i canali sono maggiormente distanziati tra di
loro. Nei casi reali occorre tener conto anche del contributo di interferenza dovu-
to ad apparati esterni, sicuramente molto maggiore nella banda ISM in cui opera
l’802.11b.
Grazie alla modulazione QPSK, trova conferma l’immunita` dell’802.11b alla
compressione del guadagno del PA: per apprezzare sostanziali degradazioni occor-
108 Conclusioni
re tener conto anche della distorsione di fase del PA stesso, peraltro solitamente
trascurabile. D’altra parte emerge una sostanziale robustezza del sistema 802.11a
a 18 Mbps ad un disturbo dello stesso tipo. In ogni caso, le prestazioni possono
essere migliorate grazie all’uso di un predistorsore basato su look-up table.
E` stato dimostrato come sia semplice effettuare correzioni nel dominio delle
frequenze per l’OFDM, laddove nei sistemi 802.11b occorre intervenire con me-
todi tradizionali. Ad esempio, un semplice one-tap equalizer risulta efficace nel
combattere gli effetti dell’interferenza intersimbolo.
Infine, e` stato introdotto un modello matematico per caratterizzare il rumore
di fase, mediante il quale e` stato valutato, in alcuni casi, l’impatto di tale disturbo
sui due sistemi; i risultati simulati hanno evidenziato una maggiore robustezza
dell’802.11a, persino nelle bit rate piu` elevate.
Per quanto riguarda le soluzioni architetturali di un sistema riconfigurabile che
supporti entrambi gli standard, si e` svidenziato come la cifra di rumore richiesta
dal LNA sia simile per i due casi (14-15 dB su canale AWGN). Per quanto riguarda i
filtri, invece, il fattore di roll-off che ottimizza il rapporto segnale utile/interferente
risulta diverso (0.47 per l’802.11b, 0.22 per l’802.11a), e quindi occorre prevedere
architetture che consentano la riconfigurazione del filtro stesso; ad esempio, una
realizzazione digitale in banda base del filtro renderebbe semplice ed economica la
convivenza dei due standard (per quanto riguarda questa specifica).
Sviluppi futuri La caratterizzazione dei parametri circuitali vista nel presente stu-
dio puo` essere estesa ad altre parti del sistema, come ad esempio ai
convertitori D/A e A/D, apparati d’antenna e filtro IF. Si cercheranno, ove possibile,
soluzioni di compromesso, altrimenti si dovra` prevedere un livello di riconfigura-
bilita` hardware che adatti il sistema alle specifiche richieste. Tale procedimento puo`
essere ripetuto considerando anche sistemi di altro tipo, come GSM o UMTS.