WIRELESS LAN Gli Standard IEEE Maria Luisa Merani

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1 WIRELESS LAN Gli Standard IEEE Maria Luisa Merani Dipartimento di Ingegneria dell Informazione

2 IEEE family Family of standards First standard document: approved in 1997, revised in 1999 and reaffirmed in 2003 PHY e MAC layer of a WLAN, with two distinct t PHY implementations infrared: 1 Mbit/s with an optional extension to 2 Mbit/s radio: FH or DSSS technology What radio channel? ISM band

3 Next specifications IEEE a 5 GHz band, OFDM technology, data rate 54 Mbit/s IEEE b 2.4 GHz band, CCK modulation, spread spectrum technology data rate: 5.5 and 11 Mbit/s Multirate support: 1, 2, and 11 Mbit/s IEEE g backward compatibility with b Rates: 1,2,5.5,6,9,11,12,18,24,36, and d54mbit/ Mbit/s

4 Recent addenda IEEE generically deals with data traffic Does not provide mechanisms to handle. e.g., multimedia communications so as to meet their requirements IEEE e details the signalling and the handling of QoS within the MAC sublayer Additional documents IEEE i Highlights WEP weaknesses Defines a new security and authentication standard, based on the notion of RSN, Robust Secure Network IEEE j Regulatory extension to allow the standard deployment in Japan

5 Considerazioni Introduttive Impatto del canale di comunicazione sul design il livello fisico di impiega un canale di comunicazione che si appoggia ad un mezzo trasmissivo significativamente meno affidabile rispetto a quello delle LAN cablate, non protetto da segnali (interferenziali) esterni con proprietà a livello di propagazione tempo-varianti e asimmetriche che non ha confini rilevabili facilmente ed in maniera certa, all esterno dei quali le stazioni con transceiver conformi allo standard non sono in grado di ricevere i frame Also, in a WLAN no full connectivity dynamic topologies

6 continua Impact of mobility Among requirements handle portable stations can also be mobile stations ti battery-powered! Interaction ti with the upper layers with respect to LLC, WLAN has to look as an ordinary LAN (802.3) Station mobility communication reliability handled within the MAC sublayer not what happens in wired LAN!

7 WLAN Architecture The simplest WLAN: Two stations (STAs) that can directly communicate More interestingly: More STAs that can directly communicate WLANs created with no preplanning => AD-HOC NETWORKS

8 A Common Alternative All communications relayed via the Access Point (AP) No direct colloquium allowed among STAs Note that All STAs are required to see the AP STAs do not necessarily have to be in radio visibility one with the other STA ACCESS POINT

9 MAC Medium Access Control MAC architecture details two operating modes DCF, Distributed Coordination Function PCF, Point Coordination Function can coexist can concurrenty operate within the same BSS contention-free and contention-based periods alternate For instractructured t t WLANs only!!

10 CSMA/CA Si tratta del protocollo di accesso al mezzo di base, che impiega CSMA/CA implementato t in tutte tt le STA e utilizzato in configurazioni di rete sia ad-hoc sia infrastrutturate abbinato a adozione di ACK con gestione delle ritrasmissioni se il positive acknowledgment non perviene al sender copie multiple utilizzo di svariati intervalli temporali che regolano l effettivo accesso al mezzo

11 Ma come si attua il carrier sense nelle WLAN ? attraverso un meccanismo FISICO ed un meccanismo VIRTUALE FISICO: il PHY layer rileva la presenza di segnale VIRTUALE: condotto nel MAC sublayer Basato sui frame RTS/CTS e sull impiego del network allocation vector (NAV) Le informazioni che entrambi tali meccanismi rendono disponibili concorrono a determinare lo stato di busy/idle del mezzo

12 RTS/CTS frames Vediamo meglio la rilevazione virtuale dello stato del canale prima dell invio dei data frame veri e propri, le due stazioni coinvolte nella comunicazione i si scambiano i frame RTS e CTS, contenenti un campo duration/id, il quale precisa il periodo temporale per cui il mezzo deve essere prenotato per trasmettere i frame dati e l ACK corrispondente tutte le stazioni entro il range della STA sorgente e/o della STA destinazione vengono messe al corrente della prenotazione sussiste infatti il problema del terminale nascosto, che abbatte le prestazioni in ambito radio del CSMA puro Terminali nascosti: A e C non sono in visibilità radio

13 Inoltre Un ulteriore mezzo per distribuire l informazione sulla prenotazione del mezzo è il campo Duration/ID presente nel MAC header di tutti tti i frame inviati i nel CP fornisce l indicazione del tempo residuo durante il quale il mezzo è prenotato, tempo mancante alla fine dell ACK immediatamente seguente Il meccanismo del RTS/CTS migliora le prestazioni della WLAN Sia nelle ad-hoc WLAN Sia nel caso diwlani infrastrutturata, tt t in cui itutte tt le STA possono ricevere dall AP, ma non possono ricevere dalle altre STA del set

14 Ulteriori vantaggi Lo scambio RTS/CTS consente di inferire velocemente che si è verificata una collisione Se il CTS di ritorno non è rilevato dalla STA che ha inviato il RTS, tale stazione può ripetere il processo di trasmissione più velocemente rispetto al caso in cui i data frame fossero stati trasmessi e l ACK lack di ritorno non fosse stato rilevato Contesto di BSS multipli che impiegano il medesimo canale radio il meccanismo di prenotazione del mezzo attraversa i confini della singola BSS

15 Oss. il meccanismo RTS/CTS non deve necessariamente essere impiegato per la trasmissione di ogni data frame Non giustificato per frame di breve durata overhead inefficiency E possibile configurare una STA così che questa impieghi il meccanismo di RTS/CTS sempre mai mai solo per frame la cui durata supera un valore prefissato

16 L accesso La stazione deve innanzitutto invocare il meccanismo di carrier-sense e determinare se il mezzo rimane idle per un intervallo di tempo - chiamato IFS - variabile a seconda del tipo di frame da trasmettere I tipi di IFS sono SIFS PIFS DIFS EIFS e consentono di impostare diverse priorità nell accesso al mezzo

17 IFS InterFrame Space SIFS È l IFS più breve. L utilizzo del gap minimo tra trasmissioni previene l impiego del mezzo ad opera di altre STA: queste devono infatti attendere che il mezzo rimanga libero per un intervallo maggiore e cedono pertanto la priorità di trasmissione ai frame della sequenza in progress impiegato per gli ACK, per i CTS frame, per le MAC PDU di un frammento successivo al primo in un burst, per una STA che risponde al polling durante il CF period, ESEMPIO: trasmissione di un frame dati durante un DCF

18 IFS continua PIFS: impiegato dalle stazioni operanti in modalità PCF DIFS: impiegato dalle stazioni durante il CP (DCF) per trasmettere frame dati e frame di management EIFS: impiegato dal DCF ogniqualvolta il PHY segnala al MAC la trasmissione di un frame cui non ha corrisposto una corretta ricezione, con un valore corretto di FCS. Introdotto per dar tempo all ACK per il frame incriminato di essere inviato, prima che la stazione che introduce l EIFS inizi la sua trasmissione

19 Accesso base in DCF Se l esito dell operazione di sensing è idle per un periodo di tempo pari o maggiore all intervallo DIFS (EIFS se il precedente intervallo di busy era associato alla ricezione i di un frame con un valore non corretto di FCS) la stazione è autorizzata alla trasmissione busy, la stazione rimane in ascolto fintanto che il mezzo si libera e quindi attende che la condizione i di idle perduri per un tempo pari a DIFS (o EIFS) A questo punto genera un periodo di random backoff ritarda ulteriormente la trasmissione, ma diminuisce la probabilità di collisione tra più STA con un frame pronto per essere trasmesso tale tempo di backoff obbedisce ad una distribuzione uniforme, il cui estremo superiore viene dinamicamente incrementato sino a raggiungere un valore massimo in caso di trasmissioni che non hanno successo, decrementato in caso contrario misurato in termini di backoff slot

20 Graficamente

21 Continua se la stazione si accorge che il mezzo è tornato ad essere busy durante uno slot di backoff, la procedura di backoff viene sospesa ed il timer corrispondente congelato fintanto che il mezzo non rimane nuovamente idle per un DIFS (o EIFS) a questo punto può ripartire e la trasmissione avere luogo non appena il backoff timer raggiunge lo zero Quanto alle procedure di error recovery, sono di responsabilità della STA che dà inizio alla sequenza di scambio di frame quando la STA trasmittente inferisce che la trasmissione non è andata a buon fine, tenta la ritrasmissione fintanto che una di queste non ha successo viene raggiunto il numero massimo di tentativi di ritrasmissione consentiti

22 NAV Network Allocation Vector Il NAV mantiene al suo interno una predizione del traffico futuro basato sulle informazioni che lo scambio dei messaggi RTS/CTS annunciano prima dell effettivo invio i dei data frame e sul valore contenuto t nel duration/id field Ad esempio Molto semplicemente può essere interpretato come un contatore, che viene decrementato ad un rate costante quando raggiunge lo zero, l indicazione che il carrier-sense virtuale fornisce è che il mezzo è idle se diverso da zero, il mezzo è busy

23 PCF Point Coordinated Function Si tratta di un metodo di accesso opzionale, che impiega un Point Coordinator (PC), operante nell access point del BSS, il quale determina quale STA detiene il diritto itt di trasmetterett fornisce un trasferimento di frame contention-free essenzialmente attua una operazione di polling PC = polling master il PCF impiega un IFS minore rispetto a quello impiegato dai frame trasmessi via DCF il traffico PCF ha dunque priorità di accesso al mezzo rispetto al traffico DCF

24 PCF Continua Poiché un PC attivo può essere localizzato esclusivamente in un AP, l utilizzo del PCF è possibile solo in reti infrastrutturate tt t Le STA sono logicamente distinte t in CF-pollable (se in grado di rispondere ad un contention-free poll ricevuto dal PC e di richiedere un poll) e non CF-pollable Queste ultime sono comunque in grado di ricevere frame a loro destinati durante il PCF quando riceve il polling dal PC, la CF-pollable STA può trasmettere un solo frame dati e inviare in modalità piggyback l ACK di un frame ricevuto dal PC Le stazioni CF-Pollable ed il PC non fanno uso di RTS/CTS nel CFP

25 PCF Come osservato in precedenza, periodi di contesa (CP) e periodi contention-free (CFP) si alternano il PC genera dei periodi CFP ad una frequenza definita in numero di DTIM Ciascun CFP inizia con un frame di Beacon la durata del CFP non necessariamente risulta pari ad un multiplo dell intervallo di beacon se è maggiore, il PC invierà dei beacon negli istanti opportuni e in tali frame preciserà la durata residua del CFP se è minore

26 CFP All inizio di ciascun CFP, il PC esegue il sensing del mezzo quando il mezzo rimane idle per un periodo di tempo pari al PIFS, il PC trasmette il frame di beacon contenente informazioni tra cui la durata massima del CFP ed un elemento DTIM le stazioni che lo ricevono hanno modo di aggiornare il loro NAV dopo aver atteso un ulteriore periodo di SIFS, il PC può trasmettere sul mezzo un frame dati un frame di poll (CF-Poll frame) dati + poll (Data+CF-Poll frame) un frame che notifica la fine del CFP (CF-End)

27 CFP Le diverse stazioni facenti parte del BSS vengono così interrogate secondo un ordine dettato dalla polling list del PC, come la figura seguente (a titolo di esempio) illustra

28 CFP Quando interrogata, ciascuna stazione può inviare un data frame, cui il PC dovrà fornire l ACK lack se la stazione interrogata non ha dati né ACK da inviare, risponderà all operazione di poll trasmettendo un Null frame dopo un SIFS Il PC può trasmettere frame dati o di management anche a STA che sono non-cf-pollable o in modalità power-save durante il CFP queste dovranno comunque fornire il corrispondente ACK dopo un SIFS come nel DCF!! È possibile che il PC trasmetta anche frame broadcast e multicast All interno del CFP il PC può trasmettere frame impiegando il SIFS tranne nei casi in cui il PC è in attesa di una trasmissione da una polled STA e trascorre un SIFS senza che questa venga ricevuta. In tal caso il PC può procedere all invio dei suoi prossimi dati non appena è trascorso un PIFS dopo il termine dell ultima trasmissione

29 Termine del CFP Il CFP termina quando è trascorso tutto il tempo destinato a tale periodo, oppure quando il PC non ha ulteriori frame da inviare o stazioni su cui eseguire il polling Tale termine viene segnalato con l invio da parte del PC di un frame appropriato CF-End frame CF-End-ACK frame nel caso in cui l ultimo frame ricevuto dal PC sia ancora in attesa di acknowledgment Tutte le stazioni che ricevono tale indicazione provvedono a resettare il loro NAV

30 Frammentazione e deframmentazione Esattamente come accade in UMTS, si impiega la frammentazione per partizionare una MAC SDU o MAC management protocol data unit in frame MAC di dimensioni inferiori aumenta l affidabilità della corrispondente trasmissione, aumentando la probabilità di trasmissione con successo nei casi in cui le caratteristiche del canale limitino la ricezione corretta di frame a dimensione maggiore Infatti, Le MAC PDU che si ottengono dal processo di frammentazione vengono inviate attraverso tramissioni indipendenti, separatamente acknowledged i tentativi di ritrasmissione avvengono per frammento

31 Continua Osservazioni ulteriori I frammenti di una singola MAC SDU o MMPDU sono inviati in un burst durante il CP, facendo uso di una singola invocazione della procedura d accesso al mezzo prevista dal DCF durante il CFP i frammenti sono invece inviati come frame individuali che obbediscono alle regole di accesso dettate dal PCF

32 Supporto Multirate Il livello fisico di alcune WLAN presenta la capacità di trasmettere a diverse velocità trasmissive lo switching avviene dinamicamente, con l obiettivo di migliorare le prestazioni Per garantire la coesistenza e l interoperabilità nel caso multirate, t lo standard d fissa alcune regole al proposito: tutti i frame di controllo, i frame con indirizzi di destinazione multicast o broadcast devono essere trasmessi ad una delle velocità comprese nel BSSBasicRateSet frame di dati e/o management con indirizzo di destinazione unicast possono essere inviati ad una qualsiasi delle velocità trasmissive selezionate dal meccanismo di rate switching, purchè supportata dalla STA destinazione

33 The need for QoS and the e document Currently, WLANs carry a multiplicity of traffic streams Next challenge for the underlying standards: fulfill the need for differentiated QoS that different applications with different requirements exhibit accuracy timeliness of delivery Amendment 8 to the standard answers this need IEEE Std e-2005

34 The modified architecture Service differentiation is introduced within the MAC sublayer Here is what the e modified architecture looks like: Hybrid Coordination Function (HCF) Point Coordination i Function (PCF) HCF Contention Access (EDCA) HCF Controlled Access (HCCA) MAC Distributed Coordination Function (DCF) in QSTAs (STAs supporting QoS), DCF is paired by the new function termed HCF PCF keeps being optional

35 The enhancements In QoS network configurations, HCF provides 1. a modified d contention-based ti mechanism, termed Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) 2. a controlled, collision-free mechanism, termed HCF Controlled Channel Access (HCCA) The corresponding procedures let QSTAs gain transmission opportunities, termed EDCA TXOPs and HCCA TXOPs, respectively Their duration and frequency are shaped by the QSTA needs

36 EDCA EDCA introduces four distinct Access Categories (ACs), where traffic streams with different requirements fit In increasing priority order, these categories cover background best efforrt video voice services Within each QSTA, four distinct queues collect the corresponding frames that have to be transmitted and each AC employs a modified DCF rule to gain access: every AC is assigned a different Inter Frame Space, called Arbitration IFS (AIFS) AC[i] => AIFS[i], i=1, 2, 3, 4

37 New IFS relationships in e If the channel stays idle for a time equal to the corresponding AIFS (plus a backoff time), the AC wins the internal contention to transmit ACs of the same STA with shorter AIFS are guaranteed higher access probability the rule generalizes what happens in conventional DCF On the common radio channel, when frames belonging to different QSTAs contend, the same rule applies

38 More on EDCA EDCA additionally employs distinct backoff times for different access categories however, it has been demonstrated that different AIFS durations are the main responsibles for service differentiation AIFS[j] backoff slots AIFS[i] backoff slots DIFS backoff slots DIFS/AIFS SIFS PIFS Busy Medium defer access contention window opens time

39 HCCA EDCA is paired by the HCF Controlled Access (HCCA) remember that: Hybrid Coordination Function (HCF) Point Coordination Function (PCF) HCF Contention Access (EDCA) HCF Controlled Access (HCCA) MAC Distributed Coordination Function (DCF) The HCCA mechanism relies upon the presence of a Hybrid Coordinator (HC) that accesses the channel at higher priority it uses PIFS, and PIFS is shorther than DIFS (used in DCF) and also shorter than any AIFS (used by QSTA in EDCA)

40 HCCA continued Once the HC has seized the channel: it can act as a Point Coordinator and generate a Contention Free Period Alternatively, it can allocate through the HCCA mechanism TXOPs to itself to other QSTAs TXOPs duration: ruled by the specific QoS policies that the HC enforces e.g., rules built upon previous knowledge on pending traffic at QSTAs duration not limited to a data frame duration TXOP i TXOP j TXOP k TXOP l EDCA TXOP i TXOP j TXOP k TXOP l EDCA service interval service interval time

41 Weaknesses and new challenges EDCA mechanism is indeed successful in achieving per category differentiation yet, it bundles together all voice and video packets, regardless of the stream they belong to there is one queue per traffic class On the application side, however, WLANs will soon be required to support a multiplicity of bandwidth-eager and time sensitive services enough capacity will have to be guaranteed on very short timescales per user as opposed to per category requirements fulfilled Will e make it? We are all eager to know

42 Recent enhancements e does not address how to increase the achievable transmission rate nor it considers the channel reliability issue It is the n draft document that tackles such goals Multiple Input Multiple Output (MIMO) is the new technology introduced for the air interface it allows for the transmission of multiple data streams over the same frequency channel resorting to spatial multiplexing multiple antennas to transmit and to receive significant increase of the data rate and of the received signal quality

43 Continued n also provides for 1. space-time block coding 2. at the transmitter side, the option of beam-forming antennas controlled directionality of the radiation pattern remarkable confinement of interference effects Further optional factor: communication bandwidth doubled - From 20 MHz to 40 MHz - With up to 4 spatial streams per channel - An option currently implemented in several n products, draft conformant What if the standard final version does not exactly reflect the draft? It should be possible to upgrade such products via firmware

44 802.11n MAC features Towards an improved efficiency frame aggregation block acknowledgments the maximum size of MAC frames is increased from 2304 to 8000 bytes for aggregated MAC SDUs from 2304 to bytes for aggregated MAC PDUs Voice and video are the services that mostly benefit from the aggregation Voice: small packets, collecting them in in bigger size frames reduces the overhead Video: bulk streams of packets, aggregation is convenient

45 Continued block acknowledgment defined d in the original i standard, d but not employed expected to be widely used in n n significantly decreases the size of the block ACK frame from 128 to 8 bytes

46 The price to be paid and the promises n will fulfill n runs multiple OFDM streams in parallel heavy chain of amplifiers, DSPs and demodulators battery requirements far heavier than in b n is more likely l to be found in PC cards and gateways less frequent in hand-held devices n should finally deliver the necessary rate to distribute high definition TV support multimedia applications in an increasing number of devices Gain achieved by MIMO is very environmental dependent

47 The Wi-Fi Alliance first cards were often incompatible could not communicate with APs of different manufacturers Wi-Fi Alliance, a non-profit organization that t gathers companies working in the wireless technology field lead to certify the interoperability of products via independent and rigourous testing performed on a, b and g devices Wi-Fi already offers a program to test and certify products based upon IEEE n draft 2.0 WMM, Wi-Fi Multimedia a group of features based on a subset of the e QoS standard recently introduced by Wi-Fi