Technologies for mobile and wireless networking

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1 Technologies for mobile and wireless networking Silvia Giordano Alessandro Puiatti DTI SUPSI SUPSI-DTI 1

2 Outline Definition and characteristics of MAC protocols WLANs and ad hoc networks the IEEE technology the hiperlan technology the technology SUPSI-DTI 2

3 Medium Access Control (MAC) protocols SUPSI-DTI 3

4 Link layer: setting the context two physically connected devices: host-router, router-router, host-host unit of data: frame a datagram may be handled by different link-layer protocols, offering different services, on the different links in the path. Ht HnHt Hl HnHt M M M M application transport network link physical data link protocol phys. link network link physical Hl HnHt frame M adapter card SUPSI-DTI 4 Un link è il physical communication channels che collegano due host, due routers o una coppia hostrouter. Il protocollo di link-layer definisce la disposizione delle unità dei dati (strutture) scambiati fra i nodi alle estremita del collegamento, così come le azioni intraprese da questi nodi quando trasmettono e ricevendo queste unità di dati. Ogni struttura di link-layer incapsula tipicamente un datagram di rete. Un protocollo di link-layer realizza la trasmissione nodo-2-nodo del datagram di network-layer su di un singolo collegamento nel percorso. Una caratteristica importante del link-layer è che un datagram può essere maneggiato da protocolli differenti di link-layer, che offriono servizi differenti, sui collegamenti differenti nel percorso.

5 Type of links Three types of links : point-to-point (single wire, e.g. PPP, SLIP) broadcast (shared wire or wireless medium;e.g. Wavelan, Ethernet, etc.) switched (e.g., switched Ethernet, ATM etc) SUPSI-DTI 5 Un point-to-point link consiste di singolo mittente su una estremita del collegamento e di un singolo ricevente all'altra estremità del collegamento. Molti protocolli di link-layer sono stati definiti per collegamenti punto-punto; PPA e HDLC per esempio. Il secondo tipo di collegamento, broadcast link, può avere multipli trasmettitori e riceventi: nodi interamente collegati allo stesso, singolo link comune con radiodiffusione, dove ogni nodo sul link riceve una copia di tutto il frame trasmesso, per esempio Ethernet. In broadcast link ci è il problema del coordinare l'accesso multiplo -- il cosiddetto problema multiplo di accesso. I broadcast link sono utilizzati spesso nelle reti locali (LANs), reti che geograficamente sono concentrate in una singola costruzione (o su una città universitaria dell'università o corporativa). Un switched link è un collegamento diretto che permette l'accesso dedicato multiplo e simultaneo alla lan, così tiene conto della trasmissione simultanea.

6 How to access the medium When the medium is shared The channel access affects the network capacity and has a great impact on system complexity and/or cost The contention Multiple Access Control - MAC protocols, or random access protocols, use a direct contention to determine channel access rights. Needs for collisions avoidance and collision resolution mechanisms: randomization of retransmissions mechanisms for channel reservation fairness in the randomization of access wireless medium is an intrinsic shared medium SUPSI-DTI 6 In presenza di un mezzo comune, può accadere che alcuni nodi trasmettono allo stesso tempo e che le frame si scontrano o interferiscono. È necessario quindi trovare un protocollo per la compartecipazione del mezzo di radiodiffusione. I protocolli di accesso multipli regolano la trasmissione di nodi sul link comune di radiodiffusione. Inoltre, anche la comunicazione per la coordinazione della trasmissione deve utilizzare lo stesso link. Per questo motivo vengono definiti protoclli di accesso che permettano di evitare o di accorgersi delle collisioni, e sopratutto di evitare che una stessa collisione si ripeta e che ciascun nodo abbia garantite le stesse possibilita di accesso degli altri nodi. La comunicazione wireless e, evidentemente, una comunicazione con link condiviso, ma ha anche altre peculiarita a causa delle quali non si possono riutilizzare completamente I protocolli definiti su reti fisse.

7 Medium Access protocols single shared communication channel two or more simultaneous transmissions by nodes: interference only one node can send successfully at a time medium access protocol: distributed algorithm that determines how stations share channel, i.e., determine when station can transmit communication about channel sharing must use channel itself! what to look for in multiple access protocols: synchronous or asynchronous information needed about other stations robustness (e.g., to channel errors) performance SUPSI-DTI 7 In caso di comunicazione simultanea il protocoloo deve fare in modo che solo uno dei due nodi trasmittenti (almeno uno dei due) puo terminare correttamente. Esistono molti protocolli differenti, che si distinguono in base al modo in cui operano (sincrono o asincrono), al tipo e alla quantita di dati aggiuntivi che vengono introdotti dal protocollo per la gestione, alla sua robustezza agli errori e sopratutto alle sue prestazioni.

8 Media Access Protocol Types Random Schemes (Less-Coordinated) Examples: MACA, MACAW, Aloha, MAC, More suited for wireless networks that are designed to carry data: IEEE Wireless LANs Coordinated Schemes Examples: TDMA, FDMA, CDMA More suited for wireless networks that are designed to carry voice: GSM, AMPS, IS-95, Polling based Schemes Examples: Bluetooth, BlueSky, Access is coordinated by a central node Suitable for Systems that wants low-power, aims to carry voice and data at the same time SUPSI-DTI 8 I protocolli multipli di accesso possono essere classificati come appartenendo ad una di tre categorie: channel partitioning protocols, random access protocols, and taking-turns protocols. Channel partitioning protocols dividono il link di R bps in frequenze differenti, o in slot di tempo o usando codici differenti ogni nodo. In random access protocol, un nodo trasmettente trasmette sempre al piena velocità del link, vale a dire, gli R bps. Quando ci è una collisione, ogni nodo coinvolto nello scontro ritrasmette ripetutamente la frame fino a che non riesce a trasmetterla Ma quando un nodo avverte una collisione, non necessariamente ritrasmette la struttura subito. Invece attende un tempo casuale indipendente prima della ritrasmissione della struttura. Il polling protocol richiede uno dei nodi essere indicato come nodo master. Il nodo del master vota ciascuno dei nodi ad un modo del round-robin (cioè con uno schema giusto alternato).

9 Duplexing It is sharing the media between two parties. If the communication between two parties is one way, the it is called simplex communication. If the communication between two parties is two- way, then it is called duplex communication. Simplex communication is achieved by default by using a single wireless channel (frequency band) to transmit from sender to receiver. Duplex communication achieved by: Time Division (TDD) Frequency Division (FDD) Some other method like a random access method SUPSI-DTI 9 Essendo unico, Il mezzo di trasmissione deve essere condiviso anche se comunicano solo 2 stazioni. In questo caso, per ottenere la comunicazione in entrambe le direzioni si utilizza o TDM, o FDM, o code division (come nelle reti telefoniche) oppure dei metodi di accesso random (come nel Wi-Fi).

10 Duplexing - FDD A duplex channel consists of two simplex channel with different carrier frequencies Forward band: carries traffic from base to mobile Reverse band: carries traffic from mobile to base Reverse Channel f c, R Frequency separation B Base Station Forward Channel f c,, F F R M Mobile Station frequency Frequency separation should be carefully decided Frequency separation is constant SUPSI-DTI 10 Abbiamo gia visto che FDM comporta la suddivisione della banda assegnando le frequenze in parte ad una stazione ed in parte all altra.

11 Duplexing - TDD A single radio channel (carrier frequency) is shared in time in a deterministic manner. The time is slotted with fixed slot length (sec) Some slots are used for forward channel (traffic from base to mobile) Some slots are used for reverse channel (traffic from mobile to base) Slot number channel B Base Station F R F R F R F R. M Mobile Station Reverse Channel T i Forward Channel T i+1 time Time separation SUPSI-DTI 11 Mentre nel caso di divisione di tempo (TDM) si assegnano degli slot temporali all una e all altra stazione.

12 FDD TDD Duplexing TDD versus FDD FDD is used in radio systems that can allocate individual radio frequencies for each user. For example analog systems: AMPS In FDD channels are allocated by a base station. A channel for a mobile is allocated dynamically All channels that a base station will use are allocated usually statically. More suitable for wide-area cellular networks: GSM, AMPS all use FDD Can only be used in digital wireless systems (digital modulation). Requires rigid timing and synchronization Mostly used in short-range and fixed wireless systems so that propagation delay between base and mobile do not change much with respect to location of the mobile. Such as cordless phones SUPSI-DTI 12 Entrambi I metodi hanno vantaggi e svantaggi: il TDM puo essere usato solo nella trasmissione digitale, dove la separazione (tra bits) e netta, e permette la sincronizzazione. FDD bsogna allocare il canale in maniera dinamica e lavora bene su reti estese. Comunque, in entrambi I casi, si assume una stretta coordinazione da parte di un nodo centrale ed alta sincronizzazione. Per questo motivo nel Wi-Fi si e preferito utilizzare schemi piu vicini a quelli tardizionali delle LAN e non a quelli delle reti wireless telefoniche.

13 Local Area (LAN) technologies A LAN is a broadcast channel provides to its host access to each other host each node sends frames to each other over the channel Data link layer: services, multiple access LAN technologies repeaters, hubs, bridges, switches addressing Ethernet wireless LANs SUPSI-DTI 13 I protocolli di accesso multiplo sono usati estesamente nelle reti locali (LANs). Una lan è link broadcast, che fornisce al relativohost un accesso a Internet tramite un router. La lan è un singolo "link" fra ogni host ed il router, in cui ogni nodo trasmette all'altro le frame su un link broadcast; per questo usa un protocollo di link-layer che è un protocollo di accesso multiplo. La velocita della trasmissione, R, della maggior parte del LANs è molto alto (fino a 1 Gbps). Tuttavia, malgrado la possibilità di broadcast, in generale un nodo nella lan non desidera trasmettere una frame a tutti i altri nodi di lan ma preferibilmente desidera trasmettere ad un certo nodo particolare nella lan. Di conseguenza, i nodi hanno bisogno degli indirizzi di lan (in realtà gli adattatori hanno un indirizzo di lan) e la struttura di link-layer ha bisogno di un campo di contenere un indirizzo di destinazione. In questo modo, quando un nodo riceve una frame, può determinare se e per lui o per un certo altro nodo nella lan. Si noti che, con l'introduzione degli indirizzi di layer 2, il broadcast deve essere indirizzata esplicitamente. Inoltre, una certa LAN puo essere collegato ad altre attraverso bridges, repeaters, switches e hubs. Questa interconnessione avviene a livello 2. Per concludere, parecchie LANs geograficamente distanti possono essere collegate soltanto a livello fisico e "virtualmente" essere collegato a livello 2 in una cosiddetta lan virtuale.

14 Wireless LAN Options Data Link Layer implemented without using wires Two basic methods using energy at different parts of the EM spectrum. Radio Bluetooth Wi-Fi : , hiperlan Infrared IrDA LAN SUPSI-DTI 14 Lo standard principale per le wireless LAN e stato definito nel giugno 1997 dal Comitato IEEE. Lo standard include requisiti dettagliati per il livelli fisico e per la parte inferiore del livello data link, ovvero il MAC (Medium Access Control), secondo la terminologia introdotta dallo standard IEEE 802.

15 Characteristics of wireless LANs Advantages very flexible within the reception area Ad-hoc networks without previous planning possible (almost) no wiring difficulties (e.g. historic buildings, firewalls) more robust against disasters like, e.g., earthquakes, fire - or users pulling a plug... Disadvantages typically very low bandwidth compared to wired networks (1-10 Mbit/s) many proprietary solutions, especially for higher bit-rates, standards take their time (e.g. IEEE ) products have to follow many national restrictions if working wireless, it takes a vary long time to establish global solutions like, e.g., IMT SUPSI-DTI 15 Le reti wireless hanno dei grossi vantaggi per la loro alta flessibilita, la maggiore robustezza ai fattori esterni e la possibilita di poter realizzare una rete senza pianificazione. Attualmente le maggiori limitazioni sono in termini di sicurezza e prestazioni, che non sono paragonabili a quelle delle reti fisse.

16 Design goals for wireless LANs global, seamless operation low power for battery use no special permissions or licenses needed to use the LAN robust transmission technology simplified spontaneous cooperation at meetings easy to use for everyone, simple management protection of investment in wired networks security (no one should be able to read my data), privacy (no one should be able to collect user profiles), safety (low radiation) transparency concerning applications and higher layer protocols, but also location awareness if necessary SUPSI-DTI 16 Nel progettare una tecnologia per WLAN si desidera e si cerca di realizzare un sistema che permetta all utente di lavorare in maniera trasparente e senza interruzione, similarmente a come avviene sulle reti fisse. Altri fattori fondamentali sono la sicurezza, il basso consumo, la robustezza e la semplicita d uso. Quindi, le principali differenze tra le reti wireless e quelle wired, citate dallo standard, sono: a. Power management: per ridurre il consumo delle batterie dei vari dispositivi connessi alla rete: il livello Mac, quando non svolge l attività di trasmissione dati, implementa una funzione di Power Management per porre il dispositivo radio in uno stato idle per un periodo di tempo specifico o selezionabile dall utente. Quando la stazione è in questo stato perde i dati delle trasmissioni in corso. Lo standard risolve questo problema prevedendo l incorporazione nel dispositivo di un buffer per accodare i messaggi. La stazione si sveglia periodicamente e preleva i messaggi contenuti nel buffer b. Bandwidth: la banda ISM (Industrial, Scientific e Medical) spread spectrum non è molto ampia, e ci si è orientati verso metodi di compressione dati per migliorare l utilizzo della banda disponibile. c. Security: le reti wireless trasmettono i segnali su un area molto più ampia rispetto ai mezzi wired (twisted-pair, cavi coassiali, fibre ottiche) e per questo è necessario attuare politiche per garantire la sicurezza dei dati trasmessi. d. Addressing: le reti wireless hanno una topologia dinamica. L indirizzo destinazione non corrisponde sempre alla locazione del destinatario e questo aumenta notevolmente la complessità della consegna del pacchetto che attraversa la rete. È necessario utilizzare un protocollo TCP/IPbased come MobileIP per raggiungere la stazione mobile.

17 Wireless Mobile Ad Hoc Options again, datalink layer implemented without using wires. radio Bluetooth WECA (Wi-Fi) : , hiperlan ad hoc? routing realized at nodes traditionally on top of MAC SUPSI-DTI 17 A C E B routing D Una versione particolare delle reti wireless sono le reti ad hoc. Nelle reti ad hoc, a differenza di una WLAN, non esiste un entita centrale (AP) che gestisce la comunicazione, ma ogni nodo ha lo stesso ruolo all interno della rete e lavora come router per la trasmissione dei pacchetti degli altri nodi della rete.

18 A Power of the radio signal Multi-hop networks issues CS range TX range B C D Transmission threshold Sensing threshold Node B can correctly receive packets from A Node C is capable to detect the node A s transmission, but not to receive them: channel busy Node D is not aware of B transmissions The signal strength rapidly decreases as the radio wave gets far from the source. The ability to detect a transmission is strongly dependent on the node distance from source and receiver SUPSI-DTI 18 Nelle reti ad hoc esistono 2 problemi che non si presentano nelle WLAN tradizionali, dovuti al fatto che la trasmissione non e limitata ad un singolo salto (hop), ma che si deve realizzare alche il routing senza l uso di nodi che nascono specificamente con questo ruolo, come avviene per gli acces point delle WLAN.

19 Hidden station problem A Hidden node is a node that is within the carrier sensing range of the receiver but not of the transmitter. The node B knows A and C, however A and C do not know each other: high collision probability at the receiver B. A B C A = Source B = Destination C = Hidden Station SUPSI-DTI 19 Lo standard IEEE delle reti locali (Local Area Netwrok) Wireless fu disegnato come estensione dell Ethernet applicato alle WLAN. Nella stessa modalità vengono quindi trasmessi i pacchetti sulla rete. Se una stazione ha pacchetti da inviare ad una seconda stazione, prima ascolta, per vedere se qualcun altro sta trasmettendo, e quindi trasmette il suo pacchetto. In questa modalità si assume che ogni stazione sia in grado di sentire tutte le altre stazioni della rete. Nella applicazioni Wireless dove le stazioni sono nodi all aperto, ad esempio in ambito cittadino, accade che uno o più nodi non sono in grado di sentire tutti gli altri. Per esempio, A non e in grado di vedere C e quindi potrebbe decidere di trasmettere contemporaneamente. In realta nei mesi scorsi e stato scoperto che, data la differenza tra il carrier sensing e il transmission range, questo e un non problema. Infatti, se A e C non si sentono, visto che il carrier sensing e molto ampio, quando trasmettono le loro trasmissioni non interferiscono.

20 Exposed station problem An Exposed node is a node that is not competing with another node, but is within its radio range. The node B is receiving from A, and C is receiving from D: high collision probability at the receivers B and C. A B C D A = Source D = Source B, C = Exposed Station SUPSI-DTI 20 Analogamente, nelle reti wireless ci sono dei non problemi che diventano problemi a causa del protocollo di gestione. Infatti, se A e C non si sentono, la trasmissione di A e D contemporanea non crea problemi, ma viene impedita dalla riservazione fatta da B e C che hanno bloccato il canale.

21 The IEEE technology SUPSI-DTI 21

22 The IEEE standards The Institute of Electronic and Electric Engineering (IEEE) defines standards for telecommunication networks. The working group provides the standard for the Wireless Local Area (WLANs) : IEEE (adopted in 1997, revised on 1999) deals with the specification of PHY and MAC layer operation for the WLANs operating in the MHz band up to 1-2 Mbps SUPSI-DTI 22 Il primo standard senza fili di Ethernet, IEEE , è stato adottato in Questo standard prevede tre specifiche di strato fisico (PHY) compreso infrared, -2 Mbps frequency hopping spread spectrum (FHSS) e 1-2 Mbps direct sequence spread spectrum (DSSS) nella fascia ISM. Poiché Ethernet LANs allora era capace di arrivare a 10 Mbps ed i primi prodotti erano abbastanza costosi, i primi prodotti ebbero limitato il successo nel mercato.

23 The IEEE standards IEEE b: (approved in the 1999) deals with the higher-speed PHY layer extension in the 2.4 GHz band for rates in the range of 5.5 and 11 Mpbs IEEE a: (released on the 1999) deals with the specification of PHY for WLANs operating in the 5 GHz band, specified to achieve data rates up to 54 Mbps. IEEE g: (released on the 2002) deals with the specification of PHY for WLANs operating up to 54 megabits per second (Mbps) in the 2.4 gigahertz (GHz) band SUPSI-DTI 23 Due anni dopo, lo standard originale si è evoluto lungo due percorsi. La specifica b ha aumentato bene i flussi di dati oltre il limite critico di 10 Mbps, ha effettuato la compatibilità con DSSS originale ed ha compreso uno schema di codificazione più efficiente conosciuto come complimentary code keying (CCK) per raggiungere gli 11 Mbps. Un secondo schema di codificazione, Packet Binary Convolutional Code (PBCC ), è stato incluso come opzione per il rendimento elevato ai 5.5 e 11 Mpbs. Il secondo ramo di è stato indicato come a. Si è sviluppato in una fascia di frequenza differente, 5.2 la fascia del gigahertz U-NII ed è stato specificato per realizzare i flussi di dati fino ad un massimo di 54 Mbps. Diverso di b, che è un single carrier system, a ha utilizzato una tecnica di modulazione multi-carrier conosciuta come orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). Utilizzando lo spettro radiofonico dei 5.2 gigahertz, a non è interoperable con b, o con lo standard iniziale di WLAN. Nel mese di marzo del 2000, il gruppo di lavoro dello IEEE ha formato un gruppo di studio per esplorare la possibilità di stabilizzazione dell'estensione al standard b per gli più alti tassi di dati più notevolmente di 20 Mbps. Nel mese di luglio del 2000, questo gruppo di studio è diventato un gruppo di lavoro completo, il gruppo di lavoro il G (TGg), con una missione per definire il standard seguente per gli più alti tassi nella fascia dei 2.4 gigahertz. Lo standard g rende OFDM la tecnologia obbligatoria, raggiungendo le velocita di dati del a nella fascia dei 2.4 gigahertz, e richiede l'esecuzione obbligatoria dei modi b ed offre i modi facoltativi di CCK-OFDM e di PBCC-22. Questo compromesso equilibrato offre un collegamento fra a e b, mezzi diretti per sviluppare i veri prodotti multimode di WLAN g realizza i flussi di dati di Mbps di high 54 di a nella fascia dei 2.4 gigahertz, quindi nuovo standard IEEE g e compatibile con le apparecchiatura esistenti b.

24 The IEEE standards SUPSI-DTI 24 A livello PHY lo standard fornisce due metodi di utilizzo di frequenze radio, DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) ed un metodo basato sull infrarosso (DFIR), mentre a livello MAC lo standard usa una variante di Ethernet CSMA/CD (CSMA/Collision Detection) definita come CSMA/CA (CSMA/Collision Avoidance). La banda utilizzata è quella a 2.4 Ghz della banda ISM (Industrial, Scientific e Medical). L obiettivo di questo standard era quello di sviluppare specifiche per garantire la connettività tra stazioni fisse, portatili e in movimento all interno di un area locale. Lo standard definisce le specifiche per realizzare trasmissioni asincrone e time-bounded, fornire continuità del servizio all interno di un area via distribution-system (backbone), raggiungere data rate di 1 Mbit/s e 2 Mbit/s (gli standard a e b, sviluppati successivamente, sono caratterizzati da data rate più alti rispetto allo standard base). Lo standard stabilisce di utilizzare 1 Mbits/sec con l uso del metodo Frequency Hopping con l opzione di arrivare fino a 2 Mbits/sec e definisce entrambi i valori di 1 Mbits/sec e 2 Mbits/sec nel caso si usi Direct Sequence. (Alcuni produttori offrono 3 Mbits/sec o più nella banda 2.4 Ghz, tuttavia quei prodotti che operano a velocità superiori, per essere conformi alle specifiche ed essere compatibili con apparati di altre società, debbono operare solo con ben determinate velocità). Le velocità supportate sono piuttosto limitate se comparate con il classico 10 Mbits/sec Ethernet, o 100 Mbits/s del Fast Ethernet. Il problema che si pone con l aumento della velocità, restando nell ambito dei 2.4 Ghz è la diminuzione della portata della trasmissione, una questione cruciale nel mondo delle wireless, in quanto gli utilizzatori possono essere dovunque nell ambito di un edificio, e la diminuzione della durata delle batterie, causata da una potenza più elevata richiesta dalla trasmissione. Sono inoltre specificati servizi di Multicast (incluso il Broadcast), servizi di gestione della rete e servizi di registrazione e autenticazione. Lo standard può essere utilizzato per realizzare reti wireless sia in ambienti interni come uffici, negozi, ospedali, residence, che in ambienti esterni come zone parcheggio, campus estivi, etc.

25 standards activities SUPSI-DTI 25 La maggior parte delle Wireless Lan oggi implementano completamente la versione b dello standard b, HR-DSSS (High Rate Direct Sequence Spread Spectrum), è lo standard per le WLAN operanti nella banda intorno ai 2,4 Ghz con tecnica di modulazione Complementary Code Keying (CCK) e con data rate di 5.5 Mbit/s fino a 11 Mbit/s. HR-DSSS è una estensione dello standard DSSS. Vi sono allo stato attuale alcune realizzazione proprietarie di alcuni costruttori che presentano alcune differenze legate al metodo di trasmissione ed eventualmente alcune funzionalità aggiuntive che rendono l interoperabilità, ossia la possibilità di utilizzare nello stessa WLAN schede realizzate da costruttori differenti, piuttosto problematica. E certamente possibile, ancorché sconsigliabile, implementare una LAN con schede fornite da uno stesso costruttore, ma per quanto riguarda le reti wireless molte volte ci si ritrova con notebook di differenti marche che hanno già integrato un certo NIC, ed è scontato il fatto che si desideri il tutto funzionare. Esiste una organizzazione, detta WECA (Wireless Ethernet Compatibilità Alliance) che assicura la compatibilità attraverso l adozione dello standard Wi-Fi (wireless fidelity). Come riportato sul sito: La missione del WECA è di certificare interoperabilità dei prodotti Wi-Fi (802.11) e di promuovere Wi-Fi come lo standard globale per il wireless attraverso ogni segmento di mercato. Una nota doverosa: gli standard b e a sono caratterizzati dallo stesso livello MAC, questo fa sì che dal punto di vista dell utente i prodotti dei diversi standard possano essere interconnessi, tra di loro mediante access point, o agli access point del distribution system. Gli Access Point devono essere Dual Slot (devono cioè possedere due interfacce) per rendere possibile l interoperabilità tra dispositivi mobili di standard diversi g ha in comune la stessa banda base dell e b, per cui e retrocompatibile con schede di interfaccia b. Raggiunge i 54 Mbit/s perche usa una modalita di trasmissione differente dall (la stessa dell a).

26 mobile terminal The IEEE standards fixed terminal server infrastructure network application TCP IP LLC MAC PHY access point LLC MAC MAC PHY PHY application TCP IP LLC MAC PHY SUPSI-DTI 26 Lo standard definisce stazione un qualunque dispositivo che implementi le funzionalità previste dallo standard, in altre parole i livelli MAC e PHY ed un interfaccia al mezzo wireless. Le funzioni risiedono fisicamente in un radio NIC, un driver software che guida il NIC, e un access point.

27 Architecture of an infrastructure network ESS LAN STA 1 BSS 1 Access Point 802.x LAN Portal Distribution System Access Point BSS 2 STA LAN STA 3 Station (STA) terminal with access mechanisms to the wireless medium and radio contact to the access point Basic Service Set (BSS) group of stations using the same radio frequency Access Point station integrated into the wireless LAN and the distribution system Portal bridge to other (wired) networks router to other networks Distribution System interconnection network to form one logical network (EES: Extended Service Set) based on several BSS SUPSI-DTI 27 Ogni insieme di stazioni associate a formare un gruppo in cui comunicano direttamente fra di loro è detto BSS (Basic Service Set). Il BSS fornisce quindi la copertura dell area delle sue stazioni grazie alla quale le sue stazioni rimangono connesse e sono libere di muoversi all interno di un BSS. Una stazione non può comunicare direttamente con le altre stazioni se esce dal BSS. Lo standard prevede due topologie di rete: Indipendent Basic Service Set (IBSS) che è la rete base dello standard wireless LAN, ed Extended Service Set (ESS), configurazione di rete di dimensioni e complessità arbitrarie, caratterizzate dalla presenza di un backbone, a sua volta wireless o wired. Vengono previsti inoltre una serie di servizi propri di ciascuna stazione come l Autenticazione, l Associazione, la Disassociazione e la Riassociazione, per consentire la mobilità (roaming). Infine per garantire la privacy delle trasmissioni è possibile utilizzare un algoritmo per crittare I messaggi. La conformità con lo standard rende possibile la scelta del tipo di rete wireless e l interoperabilità tra i vari dispositivi. Questo significa che è possibile acquistare device di produttori diversi configurarli secondo lo standard ed interagiranno all interno della stesse rete wireless

28 Any x covers both MAC and Physical Layers MAC access mechanisms, fragmentation, encryption MAC Management synchronization, roaming, MIB, power management PHY DLC Layers and functions LLC MAC PLCP PMD MAC Management PHY Management PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) clear channel assessment signal (carrier sense) PMD (Physical Medium Dependent) modulation, coding PHY Management channel selection, MIB Station Management coordination of all management functions SUPSI-DTI 28 Station Management Le reti wireless svolgono funzioni simili alle reti wired basate sul protocollo (Ethernet) o (Token-Ring). In generale, le reti consentono il trasferimento di informazioni da una parte all altra poiché forniscono tecniche di accesso al mezzo che ne facilitano la condivisione, funzioni di sincronizzazione e controllo degli errori in grado si assicurare il trasferimento corretto dei dati, meccanismi di routing che consentono l instradamento dei pacchetti e infine una connessione software che interfaccia un teminale come un laptop PC con un server. L architettura logica di una rete wireless è formata dal livello fisico, data link, diviso in due sottolivelli LLC (Logical Link Control) e MAC (Medium Access Control), e livelli superiori. Una rete wireless locale fornisce servizi implementati dal livello MAC e PHY. Lo standard prevede due sottolivelli fisici: - PLCP, Physical Layer Convergence Procedure: interfaccia il MAC con il livello sottostante - PMD, Physical Medium Dependent: provvede alla trasmissione ed alla ricezione interfacciandosi al mezzo (l etere) Tutti i diversi standard classico e nelle versioni a e b condividono il livello MAC, che fornisce i medesimi servizi (autenticazione, assegnazione etc ) indipendentemente dal livello fisico.

29 Layers and Elements Contention Free Service used for time bounded traffic and for contention free asyncronous traffic Power Saving Contention Service used for asyncronous traffic Point Coordination Function (PCF) Distributed CF Superframe Structure Inter Frame Spaces RTS/CTS CSMA/CA with rotating window backoff BB-IR FH-SS DS-SS SUPSI-DTI 29 Physical Layer MAC Layer Prima di effettuare la trasmissione del frame, l entità di livello MAC deve ottenere l accesso al mezzo che può essere gestito mediante una funzione di coordinazione distribuita chiamata DCF (protocollo CSMA/CA), oppure mediante una funzione di coordinazione centralizzata PCF (protocollo basato sull accesso prioritario). Entrambe le funzioni sopra citate possono operare concorrentemente all interno di un BSS (Basic Service Set) per fornire periodi di contesa per l accesso al mezzo alternati a periodi di accesso senza contesa.

30 Physical layer Types of Phy. Layers Supported: radio and IR DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) HR DSSS (High Rate DSSS) OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Infrared SUPSI-DTI 30 Anche nelle reti Wireless il compito del livello fisico è quello di fornire un canale per la comunicazione attraverso la definizione di specifiche relative alla parte elettrica, meccanica e procedurale. Nelle WLAN esistono differenti tipi di livelli fisici, ognuno dei quali si contraddistingue principalmente in base al meccanismo di trasmissione. Infatti, a partire dalle prime versioni di , che si basavano su FHSS e DSSS si sono, col passare del tempo e col superamento di problemi tecnologici, implementati nuovi sistemi di trasmissione, come HRDSSS (definito per b) ed OFDM (su cui si basa il più recente a). Vedremo più avanti in cosa si differenziano e quali sono le loro caratteristiche peculiari.

31 Physical layer extensions All standards uses the same MAC but have different Physical layer: FHSS, DSSS e DFIR b adds HR-DSSS (High Rate DSSS) a - OFDM SUPSI-DTI 31 Tutti i diversi standard classico e nelle versioni a e b condividono il livello MAC, che fornisce i medesimi servizi (autenticazione, assegnazione etc ) indipendentemente dal livello fisico. La distinzione tra i tre standard è proprio la seguente: classico : utilizza a livello fisico le modulazioni FHSS, DSSS e DFIR con data rate tipici di 1 o 2 Mb/s ed area di copertura di circa 150m max b: utilizza la modulazione HR-DSSS (High Rate DSSS), che consente di raggiungere data rate fino a 11Mb/s a: fa uso della modulazione OFDM, raggiungendo una velocità massima di 54Mb/s ed una copertura (a questa velocità) di 30m circa.

32 spread spectrum signal spread on a higher range of frequencies SUPSI-DTI 32 L idea base che permea il progetto dei livelli fisici per è quella di utilizzare un sistema di modulazione che sfrutti una più ampia porzione di banda. La modulazione spread spectrum (a spettro diffuso) consiste nel diffondere la potenza del segnale su di un range di frequenze più esteso, sacrificando sì la larghezza di banda, ma permettendo di ottenere un migliore rapporto segnale/rumore contestualmente un data rate più elevato. Il processo di diffusione rende il segnale molto meno soggetto ad interferenze rispetto ad un segnale in banda stretta: come si vede in figura i disturbi (interferenze dovute ad altre trasmissioni o a rumore elettrico) interferiscono solo con una piccola parte del segnale permettendo un più facile riconoscimento del segnale originario al ricevitore, il che si traduce in un minor tasso di errore, con tutti i benefici che ne conseguono. Principalmente si adottano due metodi per ottenere uno spettro diffuso: frequency hopping e direct sequence, che andremo a vedere piu in dettaglio. Gli altri metodi li introduciamo discutendo delle peculiarita fisiche di ciascuno standard della famiglia

33 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) SUPSI-DTI 33 Il metodo FHSS lavora modulando il segnale su una portante che si sposta di frequenza in frequenza più volte nel tempo, su di un ampia porzione di banda, secondo un ben definito pattern (hopping pattern). Per esempio un sistema basato su di FHSS utilizza la banda da 2.4GHz a 2.483GHz per la frequenza della portante. Ovviamente, prima di iniziare la trasmissione, il ricevitore ed il trasmettitore devono in qualche modo accordarsi sul pattern che quest ultimo utilizzerà: questo avviene tramite la scelta di un hopping code, che definisce le frequenze alle quali avverrà la trasmissione (oltre ovviamente al loro ordine). Come esempio i regolamenti FCC prevedono l uso di almeno 75 frequenze per canale con un massimo tempo di permanenza (dwell time) di 400ms. Se la trasmissione ad una data frequenza risulta troppo disturbata, il segnale viene ritrasmesso nel salto successivo. Questa tecnica di modulazione ha il pregio di ridurre le interferenze poiché un segnale interferente proveniente da un sistema a banda stretta causerà problemi solo nel caso in cui stia avvenendo una trasmissione proprio a quella frequenza ed in quel preciso momento. Caso tutto sommato relativamente poco frequente, cosicché il sistema di modulazione risulta poco affetto da errori. Se si utilizza qualche accorgimento è possibile avere più trasmissioni sulla stessa banda che non si influenzano reciprocamente, a patto che queste stiano utilizzando un pattern differente le une dalle altre. Due trasmissioni che hanno queste caratteristiche si dicono ortogonali. Ovviamente ad un maggiore numero di frequenze disponibili per canale corrisponde un numero di potenziali trasmissioni contemporanee più elevato.

34 FHSS : Operates in 2.4 GHz band uses long preamble Data rates of 1, 2 Mbps SUPSI-DTI 34 Frequency Hopping Spread Spectrum è stato, assieme a DSSS il primo layer specificato: utilizza la banda attorno a 2.4GHz per garantire data rate di 1 o 2 Mb/s. Il formato della trama è quello mostrato nel lucido, mentre i campi sono: SYNC: composto da 80 bit e consiste in 0 ed 1 alternati. La successione facilita la sincronizzazione al ricevitore. SFD, Start Frame Delimiter: il contenuto di questo campo è sempre ed il suo scopo è quello di definire l inizio del frame. PLW, PSDU Length Word: la lunghezza del campo dati PFD, PLCP Signaling: identifica il data rate a cui si desidera trasmettere. Come già detto, la velocità di trasmissione del preambolo e dell header è sempre di 1Mb/s, ma la rimanente parte viene inviata alla velocità specificata in questo campo. Header Error Check: contiene il risultato del CRC, ottenuto con l angorimo di rilevamento CCITT CRC-16. Questo algoritmo trova tutti gli errori singoli, doppi e garantisce il rilevamento del % degli errori. Data: da 0 a 4095 byte. Ogni 4 byte vengono inseriti dei simboli speciali al fine di minimizzare la componente continua del segnale. A tal fine si usa anche un meccanismo di scrambling. FHSS utilizza un numero di canali variabile e dipendente in generale dall area geografica d impiego. Per l Europa ed in Nord America è di 79, mentre per il Giappone di 23. Anche le frequenze dei cnali sono dipendenti dalla geografia: comunque l ampiezza dei canali è sempre di 1Mhz. La trasmissione, come già detto, avviene saltando da un canale all altro secondo un pattern prestabilito, in modo da distribuire uniformemente il segnale nella banda di frequenze che si sta usando definisce anche i pattern da utilizzare.

35 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) DBPSK modulation for 1 Mbit/s (Differential Binary Phase Shift Keying), DQPSK for 2 Mbit/s (Differential Quadrature PSK) preamble and header of a frame is always transmitted with 1 Mbit/s, rest of transmission 1 or 2 Mbit/s chipping sequence: +1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1 (Barker code) max. radiated power 1 W (USA), 100 mw (EU), min. 1mW Robust against interference and insensitive to the multipath effects SUPSI-DTI 35 Questa tecnica di modulazione ha come scopo la diffusione dello spettro del segnale. Lo scopo viene qui raggiunto combinando il segnale da trasmettere con un segnale con un più alto bit rate, chiamato chipping code. Il chipping code è composto da una serie di bit, chiamati chip, la cui combinazione col segnale permette di ottenere il risultato desiderato, cioè uno spettro diffuso. Il meccanismo è almeno concettualmente semplice: viene inizialmente assegnato un chipping code per rappresentare rispettivamente lo zero e l uno e quando si trasmette il segnale in realtà viene inviato il codice corrispondente. Se per esempio assegniamo allo zero il codice ed all uno la trasmissione della sequenza 011 diviene ; in questo modo il metodo DSSS per ogni bit da spedire non fa altro che inviare una stringa di bit, corrispondente al chipping code. Tipicamente il numero di chip varia tra 10 e 20 ed inoltre tanto più è elevato il loro numero nel chipping code tanto più aumenta la resistenza del segnale alle interferenze.

36 DSSS : Operates in 2.4 GHz band uses long preamble Data rates of 1, 2 Mbps SUPSI-DTI 36 Direct Sequence Spread Spectrum fornisce data rate di 1 o 2 Mb/s nella banda di 2.4Ghz. La trama utilizzata è mostrata nel lucido ed i campi sono: SYNC : una sequenza di 0 ed 1 alternati: consente la sincronizzazione ed il rilevamento di un eventuale messaggio in arrivo SFD: serve a delimitare l inizio di un frame Signal: identifica il tipo di modulazione che il ricevitore dovrà utilizzare per demodulare il segnale. I due soli valori qui utilizzabili servono a specificare 1Mb/s o 2 Mb/s. Service: riservato per usi futuri Length: indica il numero di microsecondi di trasmissione della parte dati: il ricevitore usa questa informazione per determinare la fine del frame. FCS, Frame Check Sequence: contiene la sequenza CRC calcolata con l algoritmo CCITT CRC- 16, come per FHSS. DATA: la quantità di dati trasmessi dipende dal campo length. DSSS moltiplica la portante per una segnale digitale PN (pseudo-noise o chipping code), il che fa apparire il segnale come un disturbo se ne vangono raffigurate le componenti spettrali. Il segnale ottenuto ha un data rate più elevato rispetto a quello che si vuole trasmettere: se si usa un chipping code di 11 chip il segnale modulato occuperà una banda di 11Mhz a fronte di un segnale originario che di Mhz ne occupava uno soltanto. DSSS lavora in modo molto simile a CDMA: la differenza è che quest ultimo utilizza diversi chipping code per consentire a più utenti di effettuare trasmissioni alla stessa frequenza, mentre DSSS utilizza differenti frequenze ma un codice sempre uguale. DSSS utilizza canali a diversa frequenza (14 in Europa, 11 nel Nord America), ciascuno ampio 22MHz. E possibile trasmettere più segnali DSSS nella stessa area, a patto di scegliere canali differenti e separati da almeno 30 Mhz. Come conseguenza è possibile sovrapporre fino a tre BSA, ognuna delle quali lavorerà ad un suo specifico canale.

37 802.11b HR-DSSS b: Operates in 2.4 GHz band Backward compatible with (using long preamble) Data rates of 1, 2, 5.5 & 11 Mbits(supports 10Mbps Ethernet) Short Preamble - higher throughput - not backward compatible Complementary Code Keying (CCK) encoding SUPSI-DTI 37 High Rate Direct Sequenze Spread Spectrum è definito in b, l estensione a starndardizzata nel Opera nella banda a 2.4Ghz e permette di raggiungere data rate di 5.5Mb/s e 11Mb/s b è la implementazione più comune oggi in commercio ed è compatibile con DSSS. La trama di HR-DSSS è la medesima di DSSS (al fine di consentire l interoperabilità con il medesimo). Le uniche differenze stanno nel campo SYNC, qui più breve al fine di minimizzare l overhead ed incrementare il troughput (56 bit) e nel campo Signal, che ora può definire, olte agli standard 1 e 2Mb/s, anche 5,5 ed 11 Mb/s. Differente è anche il campo Service, che viene qui utilizzato per fornire informazioni aggiuntive sulla modulazione. HR-DSSS lavora in modo analogo a DSSS, ma utilizzando un diverso tipo di modulazione. DSSS utilizza un chipping code di 11bit, (Barker chipping code) mentre questa variante utilizza CCK (complementary code keying), che a fronte di maggiori complicazioni realizzative consente di raggiungere data rate più elevati.

38 Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM Modulation: BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM (up to 288 bits encoded per symbol) chop high rate signal on multiple low rate signals multiple frequencies in pll -> orthogonality overlapping orthogonal channels -> high rate no inter-symbol interference (ISI) as SS due to delay but inter-carrier interference (ICI) due to Dopler effect SUPSI-DTI 38 OFDM divide il messaggio da trasmettere (che è ad alta velocità) in diversi sotto segnali (a bassa velocità) che vengono trasmessi in parallelo a diverse frequenze. Di qui deriva l ortogonalità. OFDM ha come vantaggi una alta efficienza spettrale, una elevata resistenza alle interferenze ed una basa distorsione dovuta a percorsi multipli. A causa della sua natura ortogonale i sottocanali possono anche sovrapporsi parzialmente, rendendo possibile un miglior uso della banda.

39 802.11a - OFDM Operates in 5 GHz band Data rates of 6-54 Mbits (Preamble and Header (except service field) always uses base rate of 6 Mbits) Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Modulation: BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM (up to 288 bits encoded per symbol) SUPSI-DTI 39 Orthogonal Frequency Division Multiplexing è stato definito in a e fornisce data rate fino a 54Mb/s nella banda a 5Ghz. I campi sono i seguenti: Preamble: serve a sincronizzare il demodulatore e a rendere possibile il rilevamento di un messaggio in arrivo Rate: specifica la velocità di trasmissione desiderata Reserved: è un bit posto a 0 Length: il numero di byte nel frame Parità: è la parità dei primi 17 bit del frame (campi Rate, Reserved, Length) Tail: è composto da tutti zeri Service: dei 16 bit che compongono questo campo i primi 7 servono per sincronizzare il descrambler ed i rimanenti destinati ad usi futuri Tail: sei bit a zero, utilizzati per l encoder. Pad: composto da almeno sei bit, serve per allineare il frame. OFDM divide il messaggio da trasmettere (che è ad alta velocità) in diversi sotto segnali (a bassa velocità) che vengono trasmessi in parallelo a diverse frequenze. Di qui deriva l ortogonalità. OFDM ha come vantaggi una alta efficienza spettrale, una elevata resistenza alle interferenze ed una basa distorsione dovuta a percorsi multipli. A causa della sua natura ortogonale i sottocanali possono anche sovrapporsi parzialmente, rendendo possibile un miglior uso della banda.

40 802.11g - Physical layer extensions g: Operates in 2.4 GHz band Backward compatible with and b Data rates up to 54 Mbits OFDM and CCK encoding SUPSI-DTI 40 L ultimo nato, lo standard g, porta le velocita dello standard a sulle frequenze dell (2.4GHz), introducendo la tecnica di trasmissione OFDM a queste frequenze.

41 Infrared Infrared nm, diffuse light, typ. 10 m range, for indoor use only carrier detection, energy detection, synchonization SUPSI-DTI 41 Esiste anche la possibilità di realizzare lo strato fisico basandosi sulla tecnologia ad infrarossi, il che presenta alcuni vantaggi in termini di sicurezza e performance. Infatti gli infrarossi non si propagano attraverso mezzi opachi, limitando le possibilità di intrusione (e l estensione della WLAN ad una stanza o ad al più un edificio), inoltre sono immuni alle interferenze elettromagnetiche ed forniscono una grande larghezza di banda. Come controparte hanno la limitata copertura raggiungibile, il che limita la mobilità. In queste reti la trasmissione dei raggi avviene su di una superficie, come il soffitto, che diviene così il mezzo condiviso sul quel avviene la contesa e la comunicazione. Per riflessione i raggi vengono rilevati dalle stazioni Wireless.

42 PHY Layer: channels Carrier Sensing Sensing the medium Threshold 85dBm Transmission Preamble and header (1 MBps) Data at specified rate Reception Carrier busy and valid preamble Counter for transmission length (in bytes) Multiple antennas: equalization SUPSI-DTI 42 Rilevamento portante Il rilevamento della portante viene fatto tramite l ascolto del mezzo, il che permette di determinare se il canale è libero o meno. La determinazione viene fatta in base al confronto tra l energia rilevata ed un valore di soglia: il segnale per essere rilevato deve avere una potenza minima di 85dBm. Se il canale è libero il MAC può decidere se trasmettere o meno. Trasmissione La trasmissione avviene inviando il preambolo e l intestazione del frame alla velocità convenzionale di 1Mb/s, allo scopo di avere una velocità standard alla quale il ricevitore ascolti. Una volta inviata l intestazione la trasmissione avviene alla velocità specificata. Ricezione Se il meccanismo di carrier sense rileva che il canale è occupato e vi è un preambolo valido, il ricevitore capisce che sta avvenendo una trasmissione. Il ricevitore (se l header non contiene errori) imposta un contatore al numero di byte trasmessi, permettendo quindi con un facile decremento di capire quando il frame termina. Il ricevitore può lavorare con una o più antenne: è possibile migliorare la ricezione ricevendo il segnale su più antenne e processando a dovere il segnale (equalizzazione).

43 PHY Layer: channels allowed US X X X X X X X X X X X Canada X X X X X X X X X X X Europe (except FR & SP) X X X X X X X X X X X X X France X X Spain X X Japan X Channels allowed in the World SUPSI-DTI 43 I canali sui quali si puo trasmettere variano da nazione a nazione. Per questo motivo il canale di deafult e il canale 11, che e ammesso in tutti I paesi (tranne il giappone). Il canale 10 e il canale di default per la configurazione ad hoc.

44 PHY Layer : channels Power 22 MHz 0 dbr - 30 dbr Ch1 Ch10 Ch11 Ch14 Frequency GHz 5 MHz GHz SUPSI-DTI 44 Nel Direct Sequence Spread Spectrum, (DSSS), la banda disponibile per la trasmissione, da 2,4 GHz a 2,496 GHz, è suddivisa in 14 canali ciascuno con la propria portante distanziata di 5MHz dalle altre. Questo è dovuto principalmente a due fattori: La banda utile del segnale è di circa 22MHz, larghezza del lobo centrale, mentre quella disponibile è di 96MHz per cui suddividendola in questo modo è maggiormente usufruibile, Pur essendo una banda non regolamentata, non ha la stessa estensione in tutti i paesi, infatti: in Giappone è ammesso solo il canale 14, in Spagna e Francia sono ammessi solo 10 e 11 e negli altri paesi sono ammessi dall 1 al 13. E evidente, però, che in uno stesso ambiente non è consigliabile utilizzare contemporaneamente canali che siano tra loro troppo vicini, come ad esempio 10 e 11, perché questo porta ad avere delle inevitabili interferenze con un ovvio degrado delle prestazioni della comunicazione.