Cosa si intende per rete wireless?

Una rete wireless è una rete di comunicazione che utilizza layer di protocollo, tra cui un livello di applicazione, uno di controllo di accesso ai media (MAC), uno fisico (PHY) e segnali in radio frequenza (RF) per trasmettere e ricevere dati tra dispositivi su un canale wireless. Le reti wireless sono caratterizzate dalla presenza di nodi e collegamenti, che rappresentano i collegamenti tra questi nodi.

Per progettare una rete wireless è necessario affrontare una serie di questioni, come la copertura e il raggio, l’interferenza, la capacità e la larghezza di banda, la qualità del servizio (QoS, Quality of Service) e la scalabilità. Per affrontare questi aspetti, gli ingegneri devono configurare architetture di rete wireless, progettare protocolli di pianificazione e operativi, oltre a garantire il rispetto degli indicatori chiave di prestazione (KPI), quali la latenza, il tasso di errore relativo ai pacchetti e il throughput.

È possibile utilizzare MATLAB^® per esplorare lo spazio delle reti wireless, simulando e analizzando i componenti di una rete wireless, come quelli indicati di seguito:

• Topologie delle reti wireless
• Nodi wireless con stack protocollari
• Algoritmi MAC, tra cui la pianificazione delle risorse, la prioritizzazione del traffico e la QoS
• Posizionamento dei nodi e relativa mobilità
• Modelli di canale e disturbi

Topologie delle reti wireless

Capire la topologia di una rete wireless è importante in quanto definisce la disposizione dei nodi all’interno di una rete. Descrive sia il layout fisico dei nodi che i percorsi che i dati seguono tra l’uno e l’altro.

MATLAB consente di simulare e analizzare diversi tipi di topologie, tra cui:

1. Topologia a stella: architettura di tipo “punto a punto” in cui i nodi comunicano direttamente con un punto di accesso centrale.
2. Topologia mesh: architettura peer-to-peer in cui ciascun nodo della rete è interconnesso a più nodi.
3. Mesh ibrida: presenta caratteristiche della topologia a stella e della topologia mesh. In genere include un punto di accesso collegato a nodi mesh.

La scelta della topologia dipende da fattori quali la finalità della rete, la scala e le caratteristiche prestazionali desiderate.

In generale, le reti wireless possono essere suddivise in due tipi: omogenee ed eterogenee. Questi termini fanno riferimento alla composizione e alle caratteristiche dell’infrastruttura di rete e ai suoi dispositivi collegati. Una rete wireless omogenea è costituita da nodi che usano la stessa tecnologia di accesso, come una rete composta esclusivamente da componenti di una rete wireless locale (WLAN). Al contrario, una rete wireless eterogenea integra più tecnologie di accesso, come una combinazione di WLAN, Bluetooth^® e 5G.

Nodi in una rete wireless

Ogni nodo di una rete wireless ha il suo proprio stack protocollare, formato dal set di protocolli di rete e livelli software che usa per comunicare e prendere parte alla rete. Nonostante ogni stack protocollare possa variare a seconda dello specifico standard di comunicazione utilizzato, in genere tutti hanno la stessa struttura di base fornita dal modello OSI (Open Systems Interconnection).

È possibile utilizzare 5G Toolbox™, WLAN Toolbox™ e Bluetooth Toolbox™ per modellare reti sullo stack protocollare di un modello di riferimento OSI, ampliando ulteriormente le proprie conoscenze in merito alle varie funzionalità svolte ai diversi livelli.

Ad esempio, lo stack all’interno dei nodi di una rete di comunicazione 5G può essere modellato come indicato di seguito:

Lo stack protocollare consente al nodo di gestire varie attività e responsabilità a livelli diversi dell’architettura di rete. Si basa sul modello OSI, un framework concettuale che standardizza le funzioni e le interazioni di protocolli e sistemi diversi in una rete. Ogni nodo di comunicazione svolge le sue varie funzionalità a livelli, o layer, diversi.

Quella che segue è una panoramica dei vari livelli dello stack protocollare OSI e del ruolo svolto da ciascuno di essi:

• Livello fisico: si occupa di attività quali la modulazione, la codifica, la trasmissione e la ricezione di onde radio.
• Livello di collegamento dati: gestisce aspetti quali l’accesso ai canali, il controllo dell’acceso ai media (MAC), il rilevamento degli errori e la correzione.
• Livello di rete: si occupa dell’instradamento e dell’inoltro di pacchetti di dati tra i diversi nodi di una rete. Gestisce attività quali l’indirizzamento IP, i protocolli di instradamento e la gestione della congestione della rete.
• Livello di trasporto: gestisce attività quali la segmentazione, il controllo di flusso e il ripristino a seguito di errori. In questo layer vengono usati protocolli quali TCP (Transmission Control Protocol) e UDP (User Datagram Protocol).
• Livello di sessione: gestisce la sincronizzazione delle sessioni, il checkpointing e il ripristino.
• Livello di presentazione: garantisce che i dati vengano scambiati tra le applicazioni in un formato comprensibile da entrambe le parti.
• Livello di applicazione: è qui che le applicazioni degli utenti e i servizi interagiscono con la rete. Include protocolli quali HTTP, FTP e SMTP.
  

Canali in una rete wireless

In una rete wireless, un canale indica una porzione specifica dello spettro wireless e l’ambiente fisico allocato alla trasmissione e alla ricezione di segnali wireless. Le allocazioni dei canali dividono lo spettro di frequenza disponibile in bande più piccole. Ciascun canale opera a una specifica frequenza centrale e utilizza una larghezza di banda, vale a dire un intervallo di frequenze all’interno dello spettro wireless. Ad esempio, nella banda da 2,4 GHz, i canali Wi-Fi^® sono distanziati di 5 MHz, mentre nella banda da 5 GHz, in genere i canali sono da 20 MHz o più.

I canali sono gli ambienti in cui tutte le distorsioni, compresi i rumori, i disturbi e le interferenze, vengono aggiunti a un segnale trasmesso. Gli ingegneri wireless usano MATLAB per lavorare sulle tecniche di modellazione e compensazione dei canali, come la correzione dell’offset di frequenza della portante, la mitigazione delle interferenze e per rendere possibile la coesistenza tra reti wireless. L’interferenza si verifica quando più dispositivi wireless operano sullo stesso canale o su canali sovrapposti, il che porta a un peggioramento del segnale e a prestazioni ridotte. Per coesistenza si intende la capacità di più reti o dispositivi wireless di operare nello stesso ambiente senza che vi siano interferenze significative tra loro.

KPI di una rete wireless

Quando si progettano e ottimizzano reti wireless, occorre prendere in considerazione le prestazioni (KPI) a livello di nodo e di rete. MATLAB mette a disposizione una piattaforma per analizzare i KPI, quali:

• Throughput: quantità di dati che può essere trasmessa su una rete wireless in un determinato periodo di tempo.
• Latenza: tempo che intercorre tra l’avvio di un trasferimento dati e la ricezione della risposta o della conferma di ricezione corrispondente.
• Fairness nell’allocazione delle risorse: equa distribuzione delle risorse di rete disponibili tra più utenti o dispositivi in una rete wireless. 
• Utilizzo delle risorse: efficienza in termini di uso delle risorse misurata come la percentuale delle risorse utilizzate rispetto al totale delle risorse disponibili.
• Efficienza spettrale: quantità di dati che può essere trasmessa in modo affidabile su una determinata larghezza di banda o un dato intervallo di frequenze.
• Densità di connessione ottenibile: capacità della rete di ricevere contemporaneamente un ampio numero di dispositivi o utenti.

Simulazione di una rete wireless con MATLAB

È possibile utilizzare MATLAB e i suoi toolbox dedicati alle comunicazioni wireless per modellare, simulare e ottimizzare reti wireless. Tali reti possono basarsi su standard quali il 5G e la WLAN o su reti generali ad hoc. La scelta dello standard è inoltre alla base del processo di determinazione dei canali e di configurazione dei modelli di traffico e dei dettagli dei protocolli.

Ad esempio, è possibile creare una simulazione di rete semplice in meno di 15 righe di codice usando MATLAB, che prevede un workflow semplificato con le feature dei nodi. In più, è possibile espandere, configurare e personalizzare il codice:

• Creando una nuova rete
• Aggiungendo nodi al simulatore
• Interagendo con i nodi
• Pianificando le azioni da eseguire durante le simulazioni
• Collegando modelli di canali personalizzati

% Simulation durations in terms of 10ms frames
rng('default'); 
numFrameSimulation = 100; 

% Create simulator
networkSimulator = wirelessNetworkSimulator.init(); 

%Create the gNB
gNB = nrGNB(TransmitPower=34, CarrierFrequency=2.6e9, ... 
    ChannelBandwidth=5e6); 

% Create the UEs
uePositions = [300 -400 0; 700 700 0; -1000 500 0; -1000 -500 0]; 
UEs = nrUE(Position=uePositions, TransmitPower=23); 

% Form the NR cell by connecting UEs to gNB
connectUE(gNB, UEs, FullBufferTraffic="on"); 

% Add nodes to the simulator and run the simulation
addNodes(networkSimulator, gNB); 
addNodes(networkSimulator, UEs); 
run(networkSimulator, numFrameSimulation*1e-2); 

% Read performance metrics
gNBStats = statistics(gNB) 
ueStats = statistics(UEs); 

Frammento di codice MATLAB che implementa una simulazione di rete wireless usando la Communications Toolbox Wireless Network Simulation Library.

Queste funzionalità sono abilitate dalla Wireless Network Simulation Library, un componente aggiuntivo gratuito per Communications Toolbox™. Contiene funzioni, app ed esempi per simulare reti wireless in modo efficiente e personalizzabile.