Un sistema, due architetture

Le WLAN utilizzano le onde elettromagnetiche, radio (RF) o infrarosse (IR), per trasferire informazioni da un punto all’altro senza una connessione fisica. In linea di principio i dati trasmessi sono sovrapposti alla portante (modulati) in modo che possano essere accuratamente estratti dal ricevitore. Il segnale modulato non occupa più una singola frequenza ma uno spettro di frequenze, dipendente dalla velocità dell’informazione. Per estrarre i dati il ricevitore sintonizza la portante e demodula i segnali nello spettro adiacente, captando tutti i segnali alle altre frequenze. Più portanti possono coesistere nello stesso spazio e tempo senza interferire l’una con l’altra, purché siano trasmesse su frequenze diverse.

In generale i terminali degli utenti accedono alla WLAN attraverso adattatori wireless realizzati come PCMCIA card o schede PCI-ISA. Gli adattatori forniscono inoltre l’interfaccia con il sistema operativo di rete (Network Operating System, NOS) e la natura del collegamento è trasparente al sistema operativo.

Esempio di un’architettura WLAN. 
Gli Access Point sono connessi con una rete cablata e sono posti a una distanza tale da assicurare la copertura dell’area d’interesse.

Base to Remote. In questo caso i terminali sono connessi a una base centrale, denominata Access Point (AP), che è il centro della LAN. L’infrastruttura wireless è realizzata con tali apparati che eventualmente si connettono alla rete cablata. Si ottiene così una copertura eccellente, buona distanza, alta sicurezza e più funzioni di gestione attraverso la rete. Per la copertura di un edificio o di un campus, l’architettura "Base to Remote" funziona bene sia come rete autonoma che come estensione di una LAN cablata. Gli Access Point come ulteriore funzione sono in grado di mediare il traffico dei terminali nelle immediate vicinanze.

Le configurazioni descritte funzionano sul principio della copertura di uno spazio, chiamato Micro-cella, in cui i dispositivi wireless possono comunicare. La dimensione della cella, cioè la distanza coperta, è limitata dalla potenza emessa. Un insieme di Micro-celle permette un roaming limitato, da cella a cella, purché ci sia sufficiente sovrapposizione tra esse. Pur con potenze e distanze ridotte il roaming è simile a quello della rete cellulare. l terminale è sempre associato a un singolo Access Point e a una cella. L’Access Point, o meglio la sua antenna, è solitamente montato in una qualsiasi posizione per ottenere la copertura radio richiesta.

Rappresentazione grafica dell’effetto della diffusione su potenza e banda spettrale del segnale

Lo sviluppo delle WLAN è essenzialmente basato sulle tecnologie radio Spread-Spectrum (SS), di cui esistono molte versioni. Lo standard WLAN più diffuso, IEEE-802.11, utilizza le versioni Frequency Hopping (FH) e Direct Sequence (DS).

SS è una tecnica radio originalmente sviluppata dai militari per comunicazioni sicure con requisiti d’uso critici, la quale media efficienza di banda, integrità e sicurezza. Viene utilizzata una banda maggiore rispetto ai segnali a banda stretta per produrre un segnale più robusto e facile da rivelare, cioè per ottenere un guadagno nel rapporto Segnale/Rumore (S/N). Sia chiaro che in questo articolo usiamo il termine "banda" nel senso di banda spettrale (cioè intervallo di frequenze, espresso in Hz), non nel senso di capacità o velocità di trasmissione (cioè numero di bit per secondo).

Nel sistema il segnale viene diffuso (spread) su una banda molto più ampia di quella richiesta per trasmettere il segnale originale. Si sfrutta il concetto che, in un canale radio con rumore a banda stretta, se si incrementa la larghezza di banda del segnale trasmesso si incrementa la probabilità di riceverlo in modo corretto. L’incremento così ottenuto si definisce "guadagno di prestazioni" (GP) e descrive la fedeltà acquisita dal segnale al prezzo di una banda più ampia.

Rappresentazione dell’effetto della codifica dei dati sulla banda e sulla potenza del segnale trasmesso nel caso del Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)

Il processo di manipolazione del segnale appena descritto è riassunto efficacemente dal teorema di Shannon (la cui formula è mostrata nel box a pag. 14), che definisce la capacità del canale. Secondo questo teorema, la capacità del canale si incrementa aumentando la banda o migliorando il rapporto S/N (Signal/Noise, cioè segnale/rumore). Si deve osservare che le due cose sono collegate in quanto N (livello del rumore) dipende dalla banda considerata. Praticamente il rapporto S/N può decrescere senza necessariamente peggiorare la qualità del segnale, a patto che la banda sia sufficientemente allargata. Il risultato che si vuole comunque ottenere con la tecnica wireless a banda larga è un guadagno di GP, eventualmente a spese del rapporto S/N.

Se il ricevitore conosce i parametri di diffusione dovuti alla tecnica utilizzata, il segnale in ingresso può essere "riconcentrato" della stessa quantità di correlazione con un segnale generato localmente. Se il ricevitore non è sintonizzato sulla frequenza giusta il segnale SS assomiglia al rumore di fondo. Le due versioni FH e DS operano secondo i principi descritti.

FHSS utilizza una portante a banda stretta che cambia frequenza in base a una sequenza (codice PN) conosciuta dal trasmettitore e dal ricevitore. Il salto di frequenza (Frequency hop) avviene su una differenza di frequenze (FSK) tale da evitare le interferenze. Fondamentalmente, la stringa di dati in ingresso viene spostata in frequenza, su una banda più ampia, di un valore determinato dal codice di diffusione PN.

Il trasmettitore FHSS è essenzialmente un sintetizzatore di frequenza controllato da un generatore di pseudo-rumore (PN). La frequenza istantanea trasmessa salta da un valore all’altro pilotata dall’ingresso pseudo-casuale del codice PN. Variando istantaneamente le frequenze, si ottiene uno spettro che è effettivamente diffuso su una gamma di frequenze. In questo sistema, il numero di frequenze discrete determina la banda del sistema. Quindi il guadagno dipende, in modo proporzionale, dal numero delle frequenze scelte per una certa velocità di trasmissione.

Un fattore che caratterizza il sistema FHSS è la velocità alla quale avvengono i salti (hop/sec). Il tempo minimo richiesto per cambiare la frequenza dipende dalla velocità dell’informazione, dalla quantità di ridondanza utilizzata e dalla distanza dalla prima sorgente di interferenza. La sequenza di hopping è definita canale. A un ricevitore generico, FHSS appare come un breve impulso di rumore.

Ecco come si presenta graficamente lo spettro complessivo di un segnale Frequency Hopping Spread Spectrum a causa della sequenza di frequenze generate (per esempio F1, F2... Fn).

DSSS, che probabilmente è la forma SS più conosciuta, genera una sequenza ridondante di bit per ogni bit in ingresso. La sequenza è chiamata "chip" o "chipping code"; tanto più grande è la lunghezza del chip, maggiore è la probabilità che i dati originali possano essere ricostruiti. Al crescere della velocità del chip (chip-rate), deve naturalmente crescere anche la larghezza di banda. Anche se uno o più bit nel chip sono danneggiati dalla trasmissione, tecniche statistiche utilizzate nella radio ricevente possono ricostruire i dati originali senza nuove ritrasmissioni.

Il "chipping code" appare come uno pseudo-rumore (PN). Il codice PN viene utilizzato per codificare il segnale di informazione e trasmesso utilizzando una delle diverse tecniche di modulazione (BPSK, QPSK e altre). Si utilizza quindi un mixer bilanciato doppio per moltiplicare la portante RF e i dati codificati da PN.

Questo processo fa sì che il segnale RF sia rimpiazzato da un segnale a banda molto larga con lo spettro equivalente del rumore (PN). Il processo di demodulazione (per il caso BPSK) è quindi semplicemente un mixer/multiplier della stessa portante codificata in PN con il segnale RF entrante. L’uscita è un segnale che è massimo quando i due segnali sono esattamente uguali, o sono correlati. Il segnale ricavato è quindi filtrato e inviato al demodulatore BPSK. Il segnale così generato sembra un rumore nel dominio delle frequenze.

Rappresentazione grafica di un segnale Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) in termini di potenza e banda spettrale. Si noti che il rumore ha un livello superiore a quello del segnale.