Network of Sensors State of the Artlezione 1 - 2011 Una rete di sensori intesa come infrastruttura composta di: rilevamento (misura), computing e elementi di comunicazione. La rete consente ad un amministratore la capacit di osservare, e reagire a eventi efenomeni in un determinato ambiente. L'amministratore in genere un soggetto civile, governativo, commerciale o industriale.L'ambiente pu essere il mondo fisico, un sistema biologico, o un information technology (IT) framework.Le reti di sensori sono considerate una tecnologia importante per una grande quantit di applicazioni, non ultima la sicurezza sia nazionale. Ci sono quattro componenti fondamentali in una rete di sensori: 1.Un insieme di sensori distribuiti o localizzati 2.Una rete di interconnessione (di solito wireless-based, ma non sempre) 3.Un punto centrale di informazione (clustering) 4.Un insieme di risorse di calcolo presso il punto centrale (o oltre )per gestire la correlazione dei dati, il trend degli eventi, linterrogazione di stato, e il data mining La messa in rete di sensori riguarda settori multidisciplinari, e coinvolge: radio e networking, elaborazione di segnali, intelligenza artificiale, gestione di database, sistemi di architetture per la gestione dell'infrastruttura e operator-friendly, ottimizzazione delle risorse, algoritmi di gestione della potenza e platform technology (hardware e software). WNs (Wireless Nodes) tipicamente trasmettono le informazioni a una stazione di raccolta (monitoraggio), che aggrega alcune o tutte le informazioni. WNs hanno caratteristiche quali: Vincoli di potenza e durata della batteria limitata Basso duty cycle Di conseguenza sono necessarie metodologie di progettazione nuove e la conoscenza di discipline quali: Information trasport Gestione della rete e delle operazioni Riservatezza Integrit Disponibilit Elaborazione In-network/local. Why Sensors inSensor Network WNs permettono di semplificare la strumentazione e ilcontrollo di fabbriche, uffici, case, veicoli, citt e l'ambiente, tanto pi che commercialmente la tecnologia off-the-shelf diventa disponibile. Con la tecnologia di reti di sensori (in particolare, con sistemi di rilevamento embedded), navi, aerei, e gli edifici possono essere in grado di autorilevare difetti strutturali. In luoghi di riunioni pubbliche possono essere utilizzati strumenti atti a rilevare tossine o agenti contaminanti e di individuare la fonte della contaminazione (questo pu essere fatto anche per terreni e o per il sottosuolo). Sensori per terremoti possono essere installati in edifici per individuare i sopravvissutie possono aiutare a valutare i danni strutturali; sensori per Tsunami possono essere utili a nazioni con coste estese. Le reti di sensori trovano anche ampie applicazioni in campi di battaglia per la ricognizione e la sorveglianza. Sensors in Sensor NetworkOggi le reti di sensori possono essere descritte come dispositivi intelligenti, low-cost e low-power dotati di pi elementi sensibili a bordo; La tecnologia per il rilevamento e il controllo comprende: sensori di campo elettrico e magnetico;sensori di onde a radio frequenza sensori elettroottici, ottici e a infrarossi radar, laser; sensori di posizione, sensori di navigazione sensori sismici e di pressione; sensori di parametri ambientali (ad esempio, vento, umidit, calore); sensori biochimici e sensori di sicurezza national-oriented WNs che sono a basso costo e a basso consumo sono logicamente connesse ad un nodo centrale detto sink node. Market interest in Sensor NetworSecondo gli osservatori del settore, il mercato di sensori wireless pronto a decollare commercialmente. Relazioni di mercato indicano che pi di mezzo miliardo di nodi sono attesi sul mercato per applicazioni di wireless sensor entro il 2010, per un mercato che vale oltre 7 miliardi dollari. Come esempio, circuiti a radiofrequenza avanzati integrati (RFICs) sono ora disponibili per $3 o meno, e Smart Sensor circuiti integrati sono diventati comuni. Nei prossimi anni, i progressi nei settori del design del sensore e dei materiali che si sono verificati nel recente passato porteranno a significative riduzioni nelle dimensioni, nel peso, nel consumo di energia, e nel costo dei sensori;Questi progressi produrranno anche un aumento della risoluzione spaziale e temporale dei sensori, e una conseguente migliore precisione di misura. Network of Wireless SensorsIl campo ora avanzando sotto la spinta dei recenti progressi tecnologici e la spinta di una miriade di possibili applicazioni. Abbiamo brevemente evidenziato gli elementi di base e fatto luce sulle reti di sensori che sono caratterizzate da molti dei seguenti fattori: Large sensor populationLarge streams of data,Incomplete/uncertain data, High potential node failure;High potential link failure (interference),Electrical power limitations,Processing power limitations,Multihop topology,Limited administrative support for the network Nell implementazione di un WNs si affrontano una serie di sfide tecniche Alcune sfide di ricerca e sviluppo (R&D) in corso sono: Sviluppare sistemi di comunicazione a basso consumo Sviluppare l'elaborazione a basso costo e direttamente sul nodo e sviluppare protocolli di comunicazione selforganized; Estendere il funzionamento temporale del nodo di rilevamento nonostante si dispone di un alimentazione limitata (e/odurata della batteria limitata). Network of Sensors Categorylezione 2 - 2011 Le reti di sensori e i sistemi possono essere suddivise in due categorie:Categoria 1: Sistemi quasi invariabilmente mesh-based con connettivit radio multihop tra WNs o attraverso WNs, utilizzando il routing dinamico in entrambe le porzioni wireless e wireline della rete. Categoria 2: punto-punto o multipunto-punto (starbased) generalmente con connettivit radio single-hop verso WNs, e utilizzando un routing statico sulla rete wireless; Le reti di categoria 1 sono molto utilizzate per applicazioni distribuite high-node-count (ad esempio, il monitoraggio ambientale, sistemi di sicurezza nazionali); Le reti di categoria 2 sono tipicamente utilizzate per applicazioni a corto raggio, come una casa, una fabbrica, un edificio, o il corpo umano. Network of Sensors ApplicationEsistenti e potenziali applicazioni delle reti di sensori, sono: Military sensing,Physical security,Air traffic control, Traffic surveillance, Video surveillance, Industrial automation, Manufacturing automation Process control, Inventory management, Distributed robotics, Weather sensing,Environment monitoring, National border monitoring, Building monitoringStructures monitoring Sensori wireless possono essere utilizzati dove i sistemi via cavo non possono essere installati. Il rapido sviluppo, l'auto-organizzazione e le caratteristiche di fault-tolerance rendono le wireless sensor network versatili per il comando militare, per il controllo, per le comunicazioni, per lintelligence, per la sorveglianza, per la ricognizione e i sistemi di targeting. Network of Sensors Standard Alcune delle tecnologie chiave e gli elementi standard che sono rilevanti per le reti di sensori sono i seguenti: Sensors Intrinsic functionality Signal processingCompression,Forward error correction, Encryption Control/actuation Clustering Self-assembly Wireless radio technologies Transmission range Transmission impairments Modulation techniques Network topologies Standards IEEE 802.11a/b/gIEEE 802.15.1 PAN/Bluetooth IEEE 802.15.3 ultrawideband (UWB) IEEE 802.15.4/ZigBeeIEEE 802.16 WiMax IEEE 1451.5 (WS Working Group) Mobile IP

Standards Tiny OSTiny DB Sensors in Sensor NetworkUn nodo sensore in genere ha delle capacit computazionali e di memorizzazione limitate; Il nodo pu avere uno o pi sensori operanti, sensori acustici, sismici, radio (radar), infrarossi, ottici, magnetici e chimici o biologici. Il nodo ha delle interfacce di comunicazione, in genere wireless, verso i nodi vicini. Il nodo sensore ha spesso anche la conoscenza della propria posizione che viene acquisita attraverso un sistema di posizionamento globale (GPS) o attraverso un algoritmo di posizionamento locale. Ciascuno dei nodi sensore distribuiti, in genere ha la capacit di raccogliere dati, analizzarli, e inviarli a un nodo centrale (sink node). Market Typical Sensor Network Arrangement. Sensor Types and Technology Di seguito vengono elencate temi importanti riguardanti le reti di sensori: Sensor type Sensor placement; Sensor power consumptionOperating environment Computational/sensing capabilities and signal processingConnectivityControl of remote devices. Le embedded sensor networks si basano su tre componenti di supporto: Embedding Networking Sensing. Embedded implica l'incorporazione di numerosi dispositivi distribuiti per controllare il mondo fisico e interagire con esso. I nodi sono solitamente di piccole dimensioni e sono dotati di un sottosistema di controllo e di comunicazione. Una disposizione spaziale di componenti particolarmente densa comune. Networking implica il concetto di connettivit fisica e logica. Connettivit logica ha l'obiettivo di promuovere il coordinamento e altre attivit di alto livello, connettivit fisica realizzata con un collegamento radio senza fili. Sensing implica la presenza di queste funzionalit in un contesto a stretto contatto con lambiente. In genere per la misurazione di parametri del mondo fisico. Typical sensing node Sensing Node Characteristics lezione 3 - 2011 I componenti fondamentali di un nodo sensore sono: unit di sensinge attuazione (un singolo elemento o un vettore) unit di elaborazione(ad es. un microcontrollore) unit di comunicazione (transceiver a cui connessa lantenna; lunit di comunicazione fondamentale per mantenere bassi i costi) Unit di alimentazione Il consumo spesso un problema che deve essere preso in considerazione come vincolo di progetto.Normalmente il committente chiede una durata della batteria piuttosto lunga, che implica bassi consumi. Nella maggior parte dei casi i circuiti di comunicazione e le antenne sono gli elementi che consumano la maggior parte dell'energia. Per minimizzare il consumo di potenza opportuno scambiare meno messaggi possibile nella rete, quindi gli algoritmi di comunicazione standard non vanno bene perch scambiano troppi messaggi per tenere in piedi la rete. I sensori possono essere passivi o attivi e possono essere critici per il consumo di potenza, inoltre sono gli elementi che hanno dimensioni pi elevate. Network of Sensors ApplicationOltre al rilevamento vi una volont di costruire, distribuire e gestire il controllo via wireless, di sistemi di controllo/attuazione e sistemi embedded (reti di controllo). Controllo si riferisce ad alcune attivit minori interne al nodo sensore (zoom, aggiungere un filtro ottico, ruotare un antenna) Attuazione si riferisce ad una attivit principale esterna al nodo sensore (aprire una valvola, immettere un fluido nell'ambiente, comandare un motore per trasferirsi da qualche altra parte) Software (Operating Systems and Middleware)In letteratura si trova scritto che per sostenere il funzionamento del nodo, importante disporre di sistemi operativi open-source progettati specificamente per WNs. Tali sistemi operativi in genere utilizzano un'architettura basata su componenti che consentono una rapida attuazione, riducendo al minimo le dimensioni del codice come richiesto dalla limitata memoria dei WNs. In questo caso lo sviluppatore non si occupa dello sviluppo dellHW ma sviluppa soltanto lapplicazione. In realt questo comodo ma abbastanza critico, e infatti commercialmente non ha funzionato. L'obiettivo degli ingegneri che progettano WNs quello di sviluppare soluzioni cost-effective basata su standard di rete wireless che hanno data rates medio bassi, un basso consumo di potenza, e garantiscono sicurezza e l'affidabilit. In alcune applicazioni (es. applicazioni militari) il sensore deve essere in grado di avviarsi rapidamente e avere una dinamica molto ampia. Lobiettivo dei ricercatori di sviluppare WSN (wireless sensor network) a basso costo, con protocolli che garantiscono un basso consumo di potenza e una buona ricezione. Questo va fatto utilizzando soluzioni non standardma ottimizzando lHW a seconda dellapplicazione. Upper layers Applicazioni allinterno della rete, incluse applicazioni di processing, data aggregation, external querying query processing, and external databaseLayer 4 Trasporto, incluse operazioni di data dissemination, accumulation, caching, and storageLayer 3 - Networking, incluse operazioni di adaptive topology management and topological routingLayer 2 - Link layer (contention): channel sharing (MAC), timing, and locality Layer 1 - Physical medium: canale di comunicazione, sensing, attuazione, e signal processing. A secondadelle applicazioni bisogna scegliere la frequenza che mi permette di avere la portata migliore e le dimensioni pi ridotte. Routing and Data DisseminationI protocolli di routing per le WSN generalmente suddividono in tre gruppi: data-centric gerarchici location-based Questo approccio di routing sposta lattenzione dagli approcci tradizionali address-centric (dove si cerca di trovare percorsi brevi tra coppie di nodi indirizzabili) ad un approccio data-centric (dove linteresse non trovare percorsi brevi ma che il dato arrivi a destinazione). Nellapproccio data-centric tutti i nodi hanno la stessa importanza, non c gerarchia tra i nodi. Data Centric RoutingIl nodo centrale invia una query in alcune regioni della WSN e attende i dati da WNs situati nelle regioni selezionate. Poich i dati vengono richiesti tramite query, un naming basato sugli attributi necessario per specificare la propriet dei dati.A causa del numero elevato di nodi distribuiti, nelle WSN non pratico assegnare identificatori globali per ciascun nodo.Questo, insieme a una potenziale distribuzione casuale dei WNS, rende impegnativo selezionare uno specifico (o un insieme specifico di) WNs per essere interrogato. Pertanto, i dati vengono trasmessi da ogni WN nella regione di distribuzione, da questa ridondanza derivano significative inefficienze in termini di consumo energetico. Ne consegue che opportuno disporre di protocolli di routing in grado di selezionare un insieme di nodi sensori e di utilizzare l'aggregazione di dati durante l'inoltro dei dati. HierarchicalRoutingUna sola rete (gateway o cluster-point) pu sovraccaricare il nodo centrale (gateway), tanto pi quanto pi la densit di sensori aumenta. Questo pu causare una latenza maggiore nella consegna di un dato. Per consentire alla WSN di avere a che fare con una grande popolazione di WNS e per coprire una vasta area di interesse, stato proposto un clustering multipoint.L'obiettivo del routing gerarchico quello di gestire il consumo energetico dei WNs in modo efficiente stabilendo una comunicazione tra WNs multi-hop all'interno di un cluster, ed effettuando aggregazione dei dati e la fusione al nodo centrale (sink), questo per diminuire il numero di pacchetti trasmessi. Location RoutingInformazioni sulla posizione dei WNs possono essere utilizzate nel routing per migliorare lefficienza energetica. Le informazioni sulla posizione vengono utilizzate per calcolare la distanza tra due nodi in modo che il consumo di energia possa essere determinato (o almeno, stimato). Per esempio, se la regione da rilevare nota, la query pu essere diffusa solo a quella regione specifica, in modo dalimitare e/o eliminare il numero di trasmissioni al di fuori della regione specifica.Il location-based routing ideale per le reti mobili ad hoc, ma pu essere utilizzato anche per WSN generiche. (Nota: i protocolli locationbased non progettati per il risparmio energetico sviluppati per reti wireless ad hoc, non sono adatti alle WSN). Baisc wireless sensor technologylezione 4 - 2011 Lelemento base di una WSN il sensor node, in realt poi le parti fondamentali sono altre (algoritmo e organizzazione della rete). I sensori vengono classificati come: Large sensor (radar sensor) Microsensor (tiny sensor) Nanosensor (sono in fase di sviluppo, sono sensori che possono fare la misura una sola volta poi lo devo buttar via, one shot sensor) Tag-reading sensors (ovvero sensori staccati dal nodo, leggibili via wireless ad es. i moduli RFID) Il sensore un elemento fondamentale. La caratteristica principale dei nodi sensoi che lavorano in ambienti a risorse limitate. Risorsa imitata pu essere anche un canale di comunicazione piuttosto disturbato che rende la comunicazione difficoltosa. Spesso come risorsa limitata si intende una limitata disponibilit di potenza elettrica. Il fatto di lavorare in ambienti difficoltosi si traduce in delle limitazioni che ho nella progettazione del nodo sensore. Lunit di comunicazione oltre ad avere delle limitazioni dovute alla disponibilit di potenza limitata ha delle limitazioni dovute alla normativa italiana che non permette di irradiare una potenza maggiore di 13,7dBm alla freq. Di 800MHz.La tecnologia per ci venuta in aiuto, a partire dagli anni 90 a oggi in parallelo alla riduzione delle dimensioni ci sono state delle riduzioni dei consumi. Le batterie al litio (Li) sono preferibili a quelle Nikel Cadmio (NiCd) perch hanno una caratteristica che si avvicina di pi alla caratteristica ideale. Lidea di fondo che si avuto nello sviluppo della tecnologia che i sistemi fossero intercambiabili, e in questo senso si fatto in modo che sul nodo sensore girasse un sistema operativo e lapplicazione e che lapplicazione fosse portabile. Infatti i sensori oggi hanno capacit di comunicazione wireless, la logica di elaborazione dei segnali, la gestione della topologia (dove applicabile), e la gestione della trasmissione (tra cui la codifica digitale ed eventualmente la crittografia e/o correzione degli errori). La funzionalit di base di un WN dipende generalmente dallapplicazione, tipicamente hanno le seguenti caratteristiche: Determinare il valore di un parametro in un determinato luogo. Rilevare il verificarsi di eventi di interesse e la stima dei parametri degli eventi Classificare un oggetto che stato rilevato. Tracciare un oggetto. In molti casi ci sono delle richieste di real-time o near-real-time, ad esempio, la rilevazione di un intruso deve essere comunicata alla polizia in tempo reale in modo che questultima possa intervenire immediatamente. Hardware and Software Un nodo sensore caratterizzato dallavere: capacit di comunicazione avere lelettronica per lacquisizione del segnale dal sensore e una logica per la processazione del segnale acquisito avere la capacit di gestire la topologia della rete (gestire la topologia della rete e fare si che la rete si auto configuri molto costoso a livello di risorse, perch la rete si deve creare una tabella di routing dinamica)deve essere in grado di gestire un codifica digitale necessaria per aumentare la probabilit che il messaggio arrivi integro a destinazione (es. CRC o Manchester). Se le informazioni che s trasmettono sono informazioni sensibili e private allora devo poter implementare anche un a criptazione. deve poter trasmettere un evento di interesse o stimare un parametro classificare loggetto che si sta rilevando tracciare unoggetto Per realizzare gli ultimi due punti spesso si utilizzano due reti a due freq diverse, una per rilevare la posizione e una per la comunicazione. Capacit di calcolo allinterno della rete (potenza disponibile permettendo) Diagramma a blocchi dellHardware Hardware Characteristics 1.Potenza sono necessarie opportune architetture per sostenere un funzionamento da poche ore a mesi o anni (a seconda dell'applicazione). 2.Logica computazionale e archiviazione - Questi vengono utilizzati per gestire a bordo i processi di manipolazione, archiviazione, la crittografia, forward error correction (FEC), la modulazione digitale e la trasmissione digitale. WNS hanno esigenze di calcolo che vengono soddisfatte con microcontrollori a 8-bitfino a microprocessori a 64 bit. 3.Trasduttore del sensore - L 'interfaccia tra l'ambiente e il WN il sensore. 4.Comunicazione - WN deve avere la capacit di comunicare sia in sistemi mesh-based con connettivit radio multihop tra o tra WNs, utilizzando il routing dinamico in entrambe le porzioni wireless e wireline e/o Point-to-point o sistemi multipoint-to-point generalmente con connettivit radio single-hop al WN, utilizzando il routing statico tramite la rete wireless con un solo percorso dalla WNs al compagno o nodo di forwarding) Software Block Diagram Software Characteristics 1.Sistema operativo (OS) microcodice (chiamato anche middleware) - Questo il software di alto livello comune ad ogni scheda che viene utilizzato da tutti nodi residenti per supportare le diverse funzioni (lo scopo di un sistema operativo di dividere il software applicativo dalle operazioni a livello macchina del microprocessore. E 'opportuno disporre i sistemi operativi open-source progettato specificamente per le WSN 2.Driver del sensore Questi moduli del software gestiscono le funzioni di base del sensore; i moduli che gestiscono i sensori possono eventualmente essere di tipo modulare tipo plug-in; a seconda di quando complicato il sensore, la configurazione appropriata e le impostazioni devono essere caricati nel modulo SW che gestisce il sensore (Driver: che fanno da scudo verso il software applicativo dalle funzionalit del sensore). 3.Comunication processors - Questo codice gestisce le funzioni di comunicazione, tra cui il routing, buffering e la trasmissione dei pacchetti, la manutenzione topologia, il controllo di accesso medio, la crittografia, e FEC 4.Driver di comunicazione (la codifica e livello fisico) - Questi moduli software gestiscono minuziosamente il canale di trasmissione radio, inclusi clock e sincronizzazione, la codifica del segnale, il recupero di bit, il conteggio dei bit, i livelli di segnale e di modulazione 5.Elaborazione dei dati mini-apps Questi moduli si occupano di elaborazione dati, signalvalue archiviazione e manipolazione, o altre applicazioni di base che sono supportate a livello di nodo per l'elaborazione in rete. Wireless transmission technologylezione 5 - 2011 Il concetto che sta alla base di tutte le applicazioni che tante pi applicazioni riesco a coprire con il mio componente tanti pi pezzi riesco a vendere e quindi tanto pi pezzi produco e tanto meno sar il costo. Quanto pi i componenti sono di largo consumo, tanto meno pagher questi componenti e quinti tanto meno coster il mio sistema. Oggi si cercha di utilizzare sottoblocchi che siano commercialmente disponibili. Per poter gestire un sistema di monitoraggio embedded bisogna che chi progetta il sistema abbia delle conoscenze di radiopropagazione. Ci occuperemo adesso del radiolink. Trattandosi di sistemi radio, vanno a interagire con lo spettro elettromagnetico, stabilendo comunicazioni che possono essere punto-punto o multi-punto (con antenne direttive) o multi-punto (con antenne omnidirezionali). In una rete wireless che viene gestita con salti multipli (multi-hop), il sistema che decide il percorso che deve fare linformazione, anche se la comunicazione di tipo broadcast ( lalgoritmo di routing che decide il percorso). Tutto questo anche legato alla tipologia di antenna che si utilizza. Idealmente abbiamo a disposizione tutto lo spettro, ma nella realt non vero, abbiamo a disposizione solo delle bande definite dalle normative. La normativa europea per gli apparati radio la ETSI300. La larghezza di banda analogica del canale (la fetta di frequenze utilizzate) determina la quantit di informazioni (analogiche o digitali) che possono essere trasmesse sul canale. Un canale di trasmissione in generale, e un canale di trasmissione basato su comunicazione radio in particolare, non mai perfetto perch sottoposto sorgenti di rumore, ed il rumore tende a degradare, distruggere, o comunque pregiudicare la qualit di un segnale. L'obiettivo sempre quello di ottimizzare il rapporto segnale-rumore, e questo si scontra con alcuni vincoli, ad esempio i requisiti di larghezza di banda, i costi, laffidabilit, consumi energetici, e le dimensioni dell'antenna). Radio Propagation Quando si va a caratterizzare la propagazione radio del nostro dispositivo bisogna avere in mente una serie di concetti: Propagation Impairments Environment (i.e., indoorsoutdoors, unobstructedobstructed, benignhostile) Sensitivity Antenna design Channel bandwidth (analog and/or digital) Frequency of operation Quanto pi si sale in frequenza tanto pi le comunicazioni sono direzionali. La direzionalit strettamente legata alla frequenza. Aumentando la frequenza per ho anche unaumento della banda, perch pi alta la frequenza di centro banda e migliore sar ladattamento della mia antenna nellintorno della frequenza centrale. f|Z|800MHzf|Z|2,45GHzHo adattamento intorno al 5% della frequenza centraleA frequenza pi alta lintorno del 5% della frequenza centrale dellantenna determina una banda maggiore Il modello pi elementare di propagazione di onde radio che di solito si considera in ambienti WSN riguarda l'onda diretta in aria libera. In questo modello, le onde radio irradiate da una sorgente a radiofrequenza, si propagano in tutte le direzioni Nel modello del canale di comunicazione ci sono quattro contributi donda, diretta, sky wave, riflessa dal suolo e onda superficiale. I meccanismi base della propagazione radio sono: Riflessioni: si ha quando unonda interagisce con una superficie che molto grande rispetto alla sua lunghezza donda. Diffrazione: si ha quando tra Tx e Rx ci sono degli ostacoli. Scattering: si ha quando le dimensioni delloggetto sono piccole rispetto alla lunghezza donda. Questi fenomeni causano distorsioni del segnale radio e fading. Fluttuazioni di intensit del segnale causate dal fatto che il segnale ricevuto composto da un numero di componenti provenienti da varie riflessioni da diverse direzioni. A causa di questo fenomeno detto multipath, le fluttuazioni del segnale possono essere fino a 30 a 40dB.Fluttuazioni del segnale dovute alla ricezione migliore su unantenna o su unaltra (multipath) vengono dette fluttuazioni di larga scala; Fluttuazioni di intensit del segnale dovute al movimento dellapparato trasmettitore o dellantenna ricevente sono detti effetti su piccola scala. Tutti i fenomeni di riflessione, diffrazione e scattering, vengono prodotti sia da materiali conduttori che da materiali isolanti, i materiali conduttori per sono quelli che danno pi fastidio. Multipath quando pi segnali vengono ricevuti e questi si vanno a sommare sullantenna ricevente dando origine a una somma vettoriale delle componenti ricevute. Riflessione: fenomeno che si verifica quando unonda elettromagnetica incide su un oggetto che grande rispetto alla sua lunghezza d'onda.Diffrazione: fenomeno che si verifica quando il percorso radio tra trasmettitore e ricevitore ostruito da una superficie che ha irregolarit affilate (bordi). Le onde secondarie derivanti dalla diffrazione sono presenti in tutto lo spazio, anche dietro l'ostacolo, questo fa si che le onde possano aggirare l'ostacolo, anche quando un percorso rettilineo tra trasmettitore e ricevitore non esiste. La diffrazione dipende dalla geometria dell'oggetto su cui incide londa, dalla fase, dallampiezza e dalla polarizzazione dell'onda incidente nel punto di diffrazione. Scattering: fenomeno che si verifica quando il mezzo attraverso il quale l'onda si propaga composto da oggetti con dimensioni che sono piccole rispetto alla sua lunghezza d'onda, e dove il numero di ostacoli per unit di volume grande. Scattered waves sono prodotte da superfici ruvide, piccoli oggetti, o da altre irregolarit nel canale (fogliame, cartelli stradali, lampioni, ecc.. inducono scattering). I materiali metallici e dielettrici (o isolatori elettrici) provocano riflessioni. Quando esistono pi percorsi di propagazione del segnale, il livello effettivo del segnale ricevuto dato dalla somma vettoriale di tutti i segnali incidenti da ogni direzione o angolo di arrivo. Multipath fadinglezione 6 - 2011 Il principale disturbo da cui sono affette le comunicazioni radio il multipath fading, ovvero i cammini multipli con cui il segnale arriva al ricevitore. La riflessione e lo scattering sono i principali fenomeni che danno origine al multipath. Siccome i contributi possono essere costruttivi ma anche distruttivi si pu avere una depolarizzazione dellonda, perci se ho trasmesso unonda polarizzata verticalmente posso ricevere unonda polarizzata orizzontalmente. Multipath diffuso: nasce da fenomeni diffusi di scattering e di diffrazione, si presenta come un disturbo al quale viene definito un livello di rumore. Multipath speculare: nasce da fenomeni dovuti alle superfici lisce riflettenti (superfici lisce di metallo), questo tipo di multipath da origine ad un completo azzeramento del segnale radio in alcuni punti che dipendono dalla geometria del segnale stesso. Performance del Canale Il link tra lantenna trasmittente e quella ricevente detto canale. Le performance del canale sono dipendenti dal tempo e dalla posizione del ricevitore e del trasmettitore. Se lavoriamo in ambiente indoor, ma abbiamo testato il sistema in ambiente outdoor, il sistema potrebbe non funzionare, perch pareti, pavimenti e mobili attenuano e contribuiscono a fenomeni di scattering. La formula che caratterizza queste perdite : path loss = unit loss + 10n log(d) = kF + IW dove: unit loss = power loss (dB) at a 1m distance (30dB) n = power-delay index d = distance between transmitter and receiver k = number of floors that the signal traverses F = loss per floor I = number of walls that the signal traverses W = loss per wall Altre fattori che possono dar fastidio alla comunicazione sono: persone in movimento nellambiente, possono creare unattenuazione fino a 10dB. edifici con strutture in metallo introducono un ritardo di propagazione fino a 300 nsocalcestruzzo tra i piani o pavimentazioni in metallo producono attenuazione (lattenuazione tipicamente di -15dB per un piano di separazione, e da 6 a 10 dB per i successivi quattro piani, da 1 a 2 dB per ogni piano aggiuntivo oltre il quarto) ofinestre in metallo Ci sono pochi edifici RF-friendly, studiati per creare poche riflessioni e multipath. La propagazione radio allinterno di edifici con parti in metallo e superfici lisce pu essere molto problematica, a causa del multipath si possono creare dei punti detti dead spots dove tutti i contributi di riflessione e scatteringcreano assenza di segnale. Unaltra cosa da considerare il contenitore dove vado a mettere il mio dispositivo radio, si tende a pensare che un contenitore di plastica non attenua, in realt dipende dal tipo di plastica: - la plastica bianca ha al suo interno biossido di titanio e attenua in un modo - la plastica nera ha al suo interno carbonio e attenua in un altro modo Se sul nostro dispositivo abbiamo delle antenne su circuito stampato c da considerare che il solder resist pu attenuare fino a 1dB, per cui sar meglio non mettere il solder resist sullantenna, ma fare una verniciatura con resine epossidiche o una stagnatura. In outdoor abbiamo quella che si chiama attenuazione in spazio libero. Nelle vicinanze lattenuazione va come 21r ,arrivati a un certo punto (Breakpoint) lattenuazione va come 41r . Per minimizzare le problematiche che abbiamo visto occorre: avere possibilmente pi di unantenna (diversit spaziale) avere una correzione del segnale poter ripetere il dato se non viene correttamente ricevuto e interpretato Antennalezione 7 - 2011 Lantenna ha la funzione di trasmettere e ricevere le onde elettromagnetiche. Tutte le onde elettromagnetiche si propagano alla stessa velocit in aria o nello spazio (8310 c ms = ,c f = ). Il diagramma di radiazione definisce la variazione della potenza irradiata da un'antenna in funzione della direzione rispetto allantenna. Questa variazione di potenza in funzione dell'angolo vieneosservata in campo lontano. Questo a lato un esempio di diagramma di radiazione a forma di ciambella o toroidale. In questo caso, lungo l'asse z, che corrisponderebbe alla radiazione direttamente sopra l'antenna, abbiamo ben poca potenza trasmessa. Nel piano xy (perpendicolare all'asse z), la radiazione massima. Questi grafici sono utili a capire le direzioni cui l'antenna irradia. Un pattern isotropico se la potenza di radiazione la stessa in tutte le direzioni. Il radiatore isotropico non esiste in pratica, ma viene utilizzato come strumento di confronto con le antenne reali. Alcune antenne possono essere definite omnidirezionali, che significa che sono isotropiche in un singolo piano.La terza categoria di antenne sono le antenne direzionali, che non hanno una simmetria nel diagramma di radiazione. Il campo che circonda l'antenna pu essere diviso in 3 regioni principali: campo vicino reattivocampo vicino radiato o regione di Fresnel campo lontano o regione di Fraunhofer La regione di campo lontano la pi importante, in quanto quella che determina pattern di radiazione dell'antenna. Inoltre, le antenne sono utilizzate per comunicare in modalit wireless su lunghe distanze, quindi questa la regione di funzionamento per la maggior parte delle antenne. Inizieremo con questa regione. Campo vicino e campo lontano Regione di campo vicino reattivo: Nelle immediate vicinanze dell'antenna, abbiamo il campo vicino reattivo. In questa regione, i campi sono prevalentemente campi reattivi, il che significa che il campo elettrico E e quello magnetico H, sono sfasati tra di loro di 90 gradi (si ricorda che i campi radiati sono ortogonali tra loro, ma in fase ). Il confine di questa regione comunemente espresso come: 30.62DR Performance del canale Ladirettivitunparametrofondamentaledellantenna.Sitrattadiunamisuradiquanto direzionale il pattern di radiazione di un'antenna. Un'antenna che irradia nello stesso modo in tutte le direzioni avrebbe zero direzionalit e la direzionalit di questo tipo di antenna sarebbe 1 (o 0 dB). Undiagrammadiradiazionenormalizzatodiun'antennapuesserescrittocomeunafunzionein coordinate sferiche( ) , F . Matematicamente la formula per esprimere la direttivit (D) : ( )2 20 011, sin4DF d d = Concludiamo con un elenco dei tipi di antenna e la loro direzionalit, per dare un'idea di ci che si trova in pratica: Antenna Type Typical Directivity Typical Directivity (dB)Short Dipole 1.5 1.76Half Wave Dipole 1.64 2.15Patch (Microstrip) Antenna 3.2-6.3 5-8Horn Antenna 10-100 10-20Dish Antenna 10-10,000 10-40 Efficienza dellAntenna e Guadagnolezione 8 - 2011 Un parametro fondamentale per la valutazione delle antenne lefficienza, che mette in relazione la potenza radiata con la potenza ricevuta in ingresso.Unantenna ad alta efficienza unantenna in cui la maggior parte della potenza in ingresso viene radiata.Unantenna a bassa efficienza unantenna in cui la maggior parte della potenza in ingresso viene persa. Anche unantenna ad alta efficienza se non viene adattata diventa unantenna a bassa efficienza. Lefficienza definita come il rapporto tra la potenza radiata e la potenza in ingresso allantenna: RADIATAINGRESSOPP=Per avere una caratterizzazione effettiva di unantenna necessario effettuare delle misure in una camera anecoica, e comunque non unoperazione semplice. Un altro parametro fondamentale il guadagno di antenna che mi dice quanta potenza trasmessa nella direzione del picco di radiazione dellantenna, un parametro che si trova sui data sheet. Un guadagno di 3dB significa che la potenza ricevuta lontano dallantenna sar 3dB pi grande della potenza che avremmo da unantenna isotropica, a cui applicata la stesa potenza in ingresso. A volte viene dato il guadagno in funzione dellangolo, quando viene dato un numero solo quello il guadagno di picco. Il guadagno (G) pu essere legato alla direttivit (D): G D =Ilguadagnodiun'antennarealepuraggiungereil40-50dBperleantenneparabolichedigrandi dimensioni, o antenne Yagi. Tuttavia il guadagno di picco di un'antenna pu essere basso a causa delle perdite. Tantopiunantennapiccolarispettoallalunghezzadonda,quantopisarinefficiente,con guadagni inferiori a -10 dB. Cisonodelletecnicheperrendereledimensionidelleantennepipiccole,inserendoadesempio uninduttanzainfondoeunacapacitincima,conquestetecnicheperpeggiorolefficienza dellantenna. Beamwidths and sidelobe levels Ilpatterndiradiazionediunantennapuessereanchecaratterizzatoconlalarghezzadellobo principale e i lobi laterali.

sin 42( ) sin42R ( | | | (\ =| | |\ Il diagramma polare composto da: - Il lobo principale, la regione intorno alla direzione di massima radiazione (di solito la regione che si trova fino a 3dB sotto il picco del lobo principale). - I lobi laterali che sono lobi pi piccoli lontani dal lobo principale. La radiazione dei lobi laterali solitamente in direzioni non desiderate, tuttavia i lobi laterali non possono mai essere eliminati. - Half Power Beamwith (HPBW) sono i punti nei quali la potenza irradiata dallantenna la met della potenza irradiata nel punto massimo (main beam). Sono importanti perch langolo tra i due punti mi dice quanto ampio il lobo centrale. Impedenza dellantenna Se diciamo che l'antenna ha una impedenza di 50 ohm, significa che se ai morsetti di ingresso di unantenna abbiamo una tensione sinusoidale con ampiezza 1 Volt, la corrente avr una ampiezza di 1/50 = 0,02 A. Dal momento che l'impedenza un numero reale, la tensione sar in fase con la corrente. In alta frequenza necessario che ogni sezione del circuito sia adattata per non avere riflessione, si cerca di adattare tutto a 50. La parte reale dellimpedenza dellantenna rappresenta quella parte della potenza che lantenna irradiata (in tx) o che assorbe (in rx). La parte immaginaria dellimpedenza dellantenna rappresenta la potenza immagazzinata nel campo vicino allantenna (potenza non radiata). Un antenna con unimpedenza di ingresso reale (parte immaginaria zero) si dice risonante. Si noti che l'impedenza di un'antenna varia con la frequenza. Il cavo che collega lantenna al circuito viene modellato come una linea di trasmissione, e per avere il massimo trasferimento di potenza dallantenna al circuito necessario che lantenna e la linea di trasmissione siano adattate.Indicando con Z0 limpedenza vista alla fine della linea e con ZA limpedenza vista allingresso dellantenna, limpedenza di ingresso data da: 0002tan2taninfZA jZ LcZ ZfZ jZA Lc| |+ |\ =| |+ |\ Se l'antenna adattata alla linea (ZA = ZO), l'impedenza di ingresso non dipende dalla lunghezza della linea. Se l'antenna non adattata, l'impedenza di ingresso varia notevolmente con la lunghezza della linea. E se l'impedenza di ingresso non adattata al impedenza della sorgente, poca potenza arriver l'antenna. La potenza allingresso della linea finisce per essere riflessa verso il generatore, e questo pu creare problemi. Quindi avere adattamento di impedenza per l'antenna estremamente importante. Friis transmission formula Consideriamo due antenne in aria libera separate da una distanza R: Consideriamo che PL (watt) arrivano allantenna Tx. Consideriamo che lantenna Tx omnidirezionale e senza perdite. Consideriamo che lantenna Rx nel campo lontano dellantenna Tx. La potenza p dellonda piana incidente sullantenna Rx data da: 24TPpR =Se lantenna Tx ha un guadagno GT nella direzione dellantenna Rx, la formula sopra diventa: 24TTPp GR =AssumiamoadessochelantennaRxabbiaunaperturaeffettivaAER,alloralapotenzaricevuta dallantenna Rx data da: 24TR T ERPP GAR =Lapertura effettiva di ogni tipo di antenna data da: 22(4 )T T RRP GGPR=Detta anche formula di Friis in spazio libero. TRANSCEIVERlezione 9 2011 Si tratta di apparati half-duplex, che quindi o trasmettono o ricevono, non sono in grado di trasmettere ericeverecontemporaneamente.InunTransceiveravremounapartearadiofrequenzache normalmente composta da un amplificatore di potenza e un LNA in ricezione. La maggior parte dei blocchi sono non lineari (quelli in rosso). Il fatto che il sistema sia half-duplex si nota dal fatto che c un SPDT sullantenna (oppure ce ne pu essere uno sullOL). Vedremo quelle che sono le non linearit dei vari blocchi e vedremo che succede quando si mettono insieme pi blocchi non lineari. Un sistema si dice lineare se dati due ingressi x1(t) e x2(t) luscita una combinazione lineare dei due ingressi. Pi precisamente se ho due ingressi x1(t) e x2(t) e mando in ingresso al mio sistema lineare una combinazione lineare dei due ingressi ax1(t)+bx2(t) in uscita mi ritrovo una combinazione lineare degli ingressi ay1(t)+by2(t). Un sistema si dice tempo invariante se i suoi parametri non dipendono dal tempo, ma sono costanti. Se ho in ingresso al sistema x(t -) in uscita avr y(t -) Un sistema si dice privo di memoria se la sua uscita non dipende da valori passati del suo ingresso. Per un sistema lineare senza memoria con ingresso x(t) alluscita avr y(t)= x(t). Nella nostra trattazione ci occuperemo di sistemi non lineari privi di memoria, la cui relazione ingresso-uscita pu essere approssimata con un polinomio Nel nostro caso tralasciamo i termini di ordine superiore al terzo e tralasciamo il termine, quindi: x(t) = A cost Fanno parte dei sistemi non lineari: Gli Amplificatori I Mixer Supponiamo di avere un blocco non lineare: se ho in ingresso x(t)=Acost, se il bloccofosse lineare in uscita avrei y(t)= Acost, ma siccome nonlineare,inuscitamiritroverdellecomponentiinfrequenzachesarannomultipliinteridella frequenza di ingresso: DCFondamentale2armonica3armonica IN OUT DC23 AOUTdb AINdB A1dB Quindi,inuscitaalbloccononlinearemiritrovounaseriediarmonichemultipledellafrequenza fondamentale.Vediamocosasuccedesupponendodiaveredueanalizzatoridispettromessiunoin ingresso e uno in uscita al blocco non lineare: Compressione del guadagno Le componenti non lineari non sono costanti ma variano a seconda della potenza del segnale di ingresso, e pu succedere che aumentando la potenza di ingresso mi posso trovare le armoniche di ordine superiore con ampiezza maggiore della fondamentale, questo fenomeno detto compressione del guadagno. Supponiamo di avere una frequenza di lavoro 1=2 f1 , indichiamo lampiezza del segnale di ingresso con AIN e lampiezza del segnale di uscita con AOUT:

f f Nel grafico sotto rappresentata anche la componente in DC anche se in realt con lanalizzatore di spettro la continua non si vede Caratteristica Ideale Caratteristica Reale Ilpuntoincuilacaratteristicarealesidiscostadallacaratteristicaidealedi1dBdettopuntodi compressionea1dB.TantopielevatoloonedBcompressionpoint,tantopilineareilmio dispositivo.Quandosononelpuntodicompressionea1db,significachelarmonicafondamentale ideale, ovvero x1A si discosta 1db dallarmonica fondamentale reale, ovvero.Il termine