LO STANDARD IEEE

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1 LO STANDARD IEEE i terminali sono in continua evoluzione. 2 1

2 Esempi 3 Standard Comitato IEEE, Giugno 1997: Standard

3 IEEE IEEE Livello fisico: due metodi di utilizzo di frequenze radio, DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) ed un metodo basato sull infrarosso (DFIR). Ai primi due è stato presto affiancato OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Livello MAC: variante di Ethernet CSMA/CD (CSMA/Collision Detection) definita come CSMA/CA (CSMA/Collision Avoidance) Banda utilizzata: 2.4 Ghz ISM (Industrial, Scientific, Medical) Power management: possibilità di porre il dispositivo radio in uno stato di attesa per un periodo di tempo specifico o selezionabile dall utente Stazione: qualunque dispositivo che implementi le funzionalità previste dallo standard, ossia i livelli MAC e PHY ed un interfaccia verso il canale radio 6 3

4 IEEE (x) (1997): trasmissione a 2.4 GHz con throughput massimo di 2 Mbps a (1999): trasmissione a 5 GHz con throughput massimo di 54 Mbps b (1999): trasmissione a 2.4 GHz con throughput massimo di 11 Mbps d: rispetta le leggi di alcuni Paesi per l utilizzo della banda a 5GHz e (2003): supporta QoS su a, b e g f (2003): interoperabilità tra diversi Vendor g (2003): trasmissione a 2.4 GHz con throughput massimo di 54 Mbps h (2003): rispetta le leggi europee per l utilizzo della banda a 5 GHz i (2004): aumenta la sicurezza introducendo nuovi metodi di autenticazione e di criptazione che si applicano ad a, b e g n (2009): aumenta significativamente il data rate con l adozione del MIMO 7 IEEE b versione migliorata dello standard originale funziona nella banda ISM a 2.4 GHz velocità massima di 11 Mbps, leggermente più veloci di Ethernet 10-BASE-T tecnica DSSS a approvato poco dopo b funziona nella banda a 5GHz velocità massima di 54 Mbps tecnica OFDM banda più ampia = più canali costo elevato g terzo standard di rete wireless IEEE approvato nel 2002 funziona nella banda ISM a 2.4 GHz velocità massima di 54 Mbps tecnica è la OFDM avanzata compatibilità all indietro con b 8 4

5 LIVELLO FISICO 9 IEEE PHY Il livello fisico è suddiviso in due sotto-livelli: Physical Layer Convergence Procedure (PLCP) Physical Medium Dependent (PMD) OSI L2 MAC OSI L1 PLCP PMD 10 5

6 IEEE PHY Il PLCP realizza il legame tra i pacchetti del MAC ed i segnali in aria Il PLCP aggiunge la propria intestazione a tutti i pacchetti Normalmente, i pacchetti contengono un preambolo che serve a facilitare la sincronizzazione dei segnali ricevuti I requisiti di tali preamboli possono dipendere dal tipo di modulazione scelto, pertanto il PLCP aggiunge la propria intestazione Il PMD è responsabile della trasmissione di ogni bit ricevuto dal PLCP nel canale radio tramite l antenna Il livello fisico incorpora anche una funzione di clear channel assessment (CCA) che serve ad indicare al MAC quando un segnale viene rilevato 11 IEEE (a) PHY Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) nella banda ISM a 2.4 GHz Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) nella banda ISM a 2.4 GHz Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) nella banda ISM a 2.4 GHz e U-NII a 5 GHz Diffused Infrared (DFIR) 12 6

7 FHSS L utilizzo della banda ISM è concesso nel rispetto di determinate condizioni Ad esempio, negli Stati Uniti l organismo competente è il FCC, che detta le seguenti condizioni (47 CFR ) : - La banda a disposizione è ampia 83.5 MHz - Essa deve contenere almeno 75 canali di hopping - Ciascun canale non deve essere più ampio di 1MHz - I dispositivi devono utilizzare tutti i canali disponibili in modo omogeneo - In un periodo di 30 secondi, lo stesso canale non può essere occupato per un intervallo di tempo superiore a 0.4 secondi (dwell time) In Europa l organismo competente è l ETSI che ugualmente ha emesso delle normative da rispettare per l utilizzo della banda ISM (ETS ) Queste ultime sono meno restrittive sul minimo numero di canali (20) ma impongono un livello massimo di potenza inferiore rispetto alle FCC 13 FHSS Nello standard la banda ISM è suddivisa in canali aventi ampiezza di 1 MHz ciascuno, per un totale massimo di 96 canali utilizzabili Il 99% circa dell energia trasmessa è confinato nel canale utilizzato I canali sono numerati progressivamente a partire da 0: GHz canale GHz canale GHz canale 95 Il numero effettivo di canali disponibili dipende dall autorità competente in ambito nazionale (vedi tabella) Il dwell time è di poco inferiore a 0.4 s, i salti di frequenza non impiegano mai più di 224 µs Ilnumero di salti che compongono una sequenza di hopping dipende ugualmente dall autorità competente in ambito nazionale (vedi tabella) 14 7

8 FHSS Regulatory domain Allowed channels US (FCC) 2 to 79 ( GHz) Canada (IC) 2 to 79 ( GHz) Europe (excluding France and Spain) (ETSI) 2 to 79 ( GHz) France 48 to 82 ( GHz) Spain 47 to 73 ( GHz) Japan (MKK) 73 to 95 ( GHz) Regulatory domain Hop set size US (FCC) 26 Canada (IC) 26 Europe (excluding France and Spain) (ETSI) 26 France 27 Spain GFSK e Gaussian shaped FSK (GFSK) con F CLK = 1 Msymbol/sec Il segnale NRZ passa attraverso un filtro passa-basso con risposta Gaussiana e banda a 3 db pari a 500 KHz Il segnale così ottenuto modula in frequenza la portante Si possono raggiungere velocità di cifra pari a 1 o 2 Mbit/sec con GFSK multilivello 1 Mbit/sec: GFSK a 2 livelli 2 Mbit/sec: GFSK a 4 livelli L operatività a 1 Mbit/sec è obbligatoria, quella a 2 Mbit/sec opzionale Ciò al fine di facilitare l interoperabilità tra apparecchi appartenenti a fasce differenti 16 8

9 DSSS La tecnica DSSS non richiede salti continui di frequenza per ottenere l espansione spettrale, perciò la banda ISM è suddivisa in canali più ampi Se usata con tecnica DSSS, la banda ISM è suddivisa in 14 canali, ciascuno ampio 5MHz, a partire da GHz: GHz canale GHz canale GHz canale 14 Di nuovo il numero di canali effettivamente utilizzabili dipende dall autorità competente in ambito nazionale (vedi tabella) 17 DSSS Regulatory domain US (FCC)/Canada (IC) Europe, excluding France and Spain (ETSI) France Spain Japan (MKK) Allowed channels 1 to 11 ( GHz) 1 to 13 ( GHz) 10 to 13 ( GHz) 10 to 11 ( GHz) 14 (2.484 GHz) 18 9

10 DSSS Dal momento che lo standard b prevede l uso di un clock avente frequenza di 11 MHz per il segnale di chip, la maggior parte della potenza trasmessa è contenuta in un lobo centrale dello spettro ampio 22 MHz Per evitare interferenza con i canali adiacenti, i primi lobi laterali sono attenuati tramite filtraggio di 30 db, gli altri di 50 db 19 DSSS Segue che la spaziatura tra due canali adiacenti non deve essere minore di 22 MHz Dato che i canali sono separati di 5MHzdai più vicini, segue che si può utilizzare contemporaneamente un canale ogni

11 DPSK La DPSK (Differential Phase Shift Keying) è la modulazione associata alla tecnica DSSS nello standard E la modulazione di fase in cui i dati non sono trasmessi sottoforma di valori della fase di un segnale portante, ma piuttosto come sue variazioni 21 HR/DSSS Le tecniche FHSS e DSSS definite nella prima versione dello standard del 1997 permettono di raggiungere una velocità di cifra massima pari a 2 Mbps La seconda versione dello standard rilasciata nel 1999 e denominata b ha introdotto la tecnica HR/DSSS (High Rate DSSS) che permette di raggiungere velocità di cifra pari a 11 Mbps La differenza rispetto alla tecnica DSSS consiste nella modulazione La modulazione DPSK è stata sostituita dalla più complessa CCK (Complementary Code Keying) 22 11

12 OFDM in a La maggior parte degli edifici presenta un delay spread di ns, tuttavia, in alcuni ambienti, il delay spread può arrivare a 200 ns Una scelta comune è quella di un tempo di guardia da2a4voltesuperiore al delay spread medio Di conseguenza, nello standard a si è scelto un tempo di guardia pari a 800 ns Il periodo di simbolo deve essere almeno 5voltesuperiore del tempo di guardia; in a esso è fissato a 4µs La spaziatura delle sottoportanti è pari all inverso del periodo di integrazione, pertanto in a essa è di 0,3125 MHz (1 / 3,2 µs) 23 OFDM in a Periodo di guardia di 800 ns Tempo di simbolo pari a 5 volte il tempo di guardia (4 µs) Spaziatura tra le portanti pari a 0,3125 MHz Canali ampi 20 Mhz ciascuno Ogni canale ospita 52 portanti, di cui 48 usate per i dati e 4 di controllo Le portanti di controllo sono la -21, -7, 7, e

13 OFDM in a Negli USA i canali nella banda a 5GHzsono ampi 5MHzciascuno e numerati in modo crescente, secondo la seguente relazione Frequenza centrale [MHz] = x n, n = 0,1,2, Ovviamente, ogni canale a di 20 MHz occupa 4 canali Inoltre, all interno di ogni canale lo spettro del segnale deve rispettare una maschera prefissata 25 OFDM in a Le modulazioni associate alla tecnica OFDM in a sono diverse, al fine di ottenere velocità di cifra variabili tra 6 Mbps e 54 Mbps In tutti i casi, il livello fisico utilizza un tasso di simboli pari a 250k simboli al secondo su 48 sottoportanti, mentre il numero di bit per simbolo varia in funzione della modulazione Sono previste 4 categorie di velocità di cifra: 6 e 9 Mbps, 12 e 18 Mbps, 24e36Mbps,48e54Mbps E richiesto il supporto per 6, 12 e 24 Mbps, che sono le più basse velocità per le prime 3 categorie, quindi le meno sensibili alle interferenze La categoria più bassa utilizza la BPSK per codificare 1 bit su ciascuna sottoportante, ossia 48 bit per simbolo. Di questi, per via della codifica di canale di tipo convoluzionale, ½ oppure ¼ sono ridondanti, quindi solo 24 oppure 36 sono di dati 26 13

14 OFDM in a La categoria successiva usa la QPSK per codificare 2 bit su ogni sottocanale, per un totale di 96 bit per simbolo; considerando la codifica di canale rimangono 48 oppure 72 bit di dati La terza e la quarta categoria usano costellazioni M-QAM più dense (la 16-QAM che codifica 4 bit per simbolo e la 64-QAM che usa 6 bit per simbolo) La terza categoria usa la 16-QAM insieme con la codifica di canale standard (convoluzionale) a rate ½ o ¾ La quarta categoria usa la 64-QAM insieme a codifica convoluzionale a rate 2/3 o ¾ per raggiungere le velocità di cifra più elevate 27 Speed (Mbps) Modulation and coding rate (R) OFDM in a Coded bits per carrier Coded bits per symbol 6 BPSK, R=1/ BPSK, R=3/ QPSK, R=1/ QPSK, R=3/ QAM, R=1/2 16-QAM, R=3/4 64-QAM, R=2/3 64-QAM, R=3/ Data bits per symbol 28 14

15 LIVELLO DATI (CONTROLLO di ACCESSO al MEZZO) 29 IEEE MAC CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) Problema delle stazioni nascoste (hidden station) In una WLAN ciascun terminale non è in grado di ascoltare tutte le trasmissioni in corso per ragioni di copertura Non è possibile la Collision Detection, ma serve la Collision Avoidance 30 15

16 IEEE MAC Prima di effettuare la trasmissione di un frame, l entità di livello MAC deve ottenere l accesso al mezzo che può essere gestito mediante una funzione di coordinazione distribuita chiamata DCF oppure mediante una funzione di coordinazione centralizzata chiamata PCF In DCF, quando il mezzo si libera la stazione trasmittente attende che esso rimanga tale per un intervallo di tempo minimo, chiamato DIFS (Distributed Interframe Slot), dopodiché inizia una fase di contesa per l utilizzo del mezzo (Contention Window) La stazione che sente il mezzo libero dopo il tempo DIFS sceglie un intervallo casuale (backoff) al termine del quale se il mezzo è ancora libero invia la richiesta di trasmissione (Request to Send o RTS) L intervallo di backoff serve a ridurre la probabilità di collisione quando, alla fine di una trasmissione, ci sono molte stazioni in attesa che il mezzo si liberi 31 IEEE MAC La stazione ricevente raccoglie la RTS e, se ha disponibilità, risponde con un permesso a trasmettere (Clear To Send o CTS) Per l invio del CTS si impegna il canale subito dopo uno slot SIFS (Short InterFrame Slot) più breve del DIFS Questo anticipo serve ad assicurare che eventuali altri trasmettitori in attesa trovino il canale occupato dopo un DIFS Il trasmettitore che ha ricevuto il permesso attende un altro SIFS ed inizia a trasmettere il proprio messaggio Dopo ogni pacchetto il ricevente risponde con un ACK di conferma Per messaggi brevi si può anche tentare la trasmissione diretta al posto del RTS, nel caso di mancato ACK sarà necessario porsi in attesa 32 16

17 IEEE n n è la più recente revisione dello standard IEEE Il suo scopo è quello di aumentare significativamente il data rate ottenibile (fino a 600 Mbps) L innovazione principale consiste nell adozione di tecniche MIMO (Multiple Input Multiple Output) n MIMO I percorsi multipli sono causa di interferenza per gli schemi di ricezione tradizionali La tecnica MIMO usa i segnali provenienti da percorsi multipli per migliorare la ricezione Inoltre, la tecnica MIMO è usata per realizzare la Spatial Division Multiplexing (SDM) Con la SDM più flussi indipendenti possono essere trasmessi contemporaneamente sullo stesso canale Ogni canale SDM richiede un antenna dedicata su ciascun apparato La tecnica MIMO richiede di moltiplicare l hardware che realizza le catene di trasmissione e ricezione Essa richiede inoltre una operazione di precoding ed una di postcoding ai due capi della trasmissione 34 17

18 802.11n MIMO (2) Le radio multiple trasmettono e ricevono contemporaneamente sullo stesso canale Radio Radio D S P Radio canale Radio D S P TX Radio Radio RX Diversamente a quanto accade negli schemi tradizionali, dove al massimo si può sfruttare la diversity in ricezione TX DSP Radio canale Radio DSP RX n MIMO (3) Il sistema MIMO si descrive con una notazione del tipo: a x b : c a numero di catene RF in trasmissione b numero di catene RF in ricezione c numero di canali SDM Il draft n prevede configurazioni fino a 4x4:4 Configurazioni comuni sono 2x2:2, 2:3:2 e 3x3:2 che ottengono lo stesso throughput massimo Ciascun flusso utilizza la modulazione OFDM Aumento del numero di portanti: 48 (802.11g) 52 (il throughput sale da 54 Mbps a 58.5 Mbps) Aumento del rate di codifica di canale (FEC): 3/4 (802.11g) 5/6 (il throughput sale da 58.5 Mbps a 65 Mbps) 36 18

19 Channel Bonding e Frame aggregation La tecnica del Channel Bonding prevede che una trasmissione possa usare contemporaneamente due canali adiacenti di 20 MHz ciascuno, ottenendo un canale di 40 MHz Questo permette di raddoppiare il data rate rispetto all uso di un canale singolo Un problema presente nei protocolli consiste nell incidenza degli overhead e degli acknowledgment Per ridurre tali fenomeni n prevede meccanismi di aggregazione del traffico: 1. Aggregazione delle MAC Service Data Units (A-MSDU): interna al livello MAC 2. Aggregazione delle MAC Protocol Data Units (A-MPDU): esterna al livello MAC (richiede Block Acknowledgment, già presente in e) 37 Rate Massimo Miglioramento della modulazione 54 Mbps 65 Mbps Uso di MIMO 2x2 o 2x3 65 Mbps 130 Mbps Riduzione del overhead dei protocolli 130 Mbps 145 Mbps Channel Bonding (20MHz 40MHz) 145 Mbps 300 Mbps Uso di MIMO 4x4 300 Mbps 600 Mbps 38 19