Wireless Local Area Networks

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1 Corso di Telematica AA Franco Pirri Wireless Local Area Networks Gianluca Vannuccini Copyright Università degli Studi di Firenze - Disponibile per usi didattici Vedere i termini di uso in appendice ed a: 1 Standards IEEE 802.2: Logical Link Control 802.3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance 802.4: Token bus 802.5: Token Ring 802.6: Distributed Queuing Dual Bus (DQDB) 802.9: Unified Integrated Services su Backbone : WLAN : Demand Priority Access Method : Cable TV : Wireless Personal Area Networks : Broadband Wireless Access Methods 2

2 IEEE Primo standard IEEE pubblicato nel 1997 Nuova versione rilasciata nel 1999, riconosciuta anche da ANSI e ISO Definisce livello MAC e livello fisico Capacità trasmissive fino a 2 Mbit/s Network Layer (IP) MAC Layer Physical Layer Convergence Protocol (PLCP) Physical Medium Dependent PMD 3 IEEE : Topologia Infrastructure Mode Rete cablata Ad-Hoc Mode Basic Service Set BSS: insieme di stazioni controllate dalla stessa Coordination Function 4

3 IEEE Physical Layer Livello fisico: diviso in tre sottolivelli: Physical Layer Convergence Protocol (PLCP): adatta il livello MAC al particolare livello fisico (PMD) Physical Medium Dependent: descrive come inviare e ricevere informazioni sul mezzo wireless Layer Management Tre tipi di livello fisico supportati: 1. Direct Sequence Spread Spectrum (DS-SS) 2. Frequency Hopping Spread Spectrum (FH-SS) 3. Infrarosso Operano sui 2.4 Ghz: frequenze ISM Industrial Scientific Medical Band, unlicensed 5 Direct Sequence Spread Spectrum Data IN 1 T bit SS code X Segnale a spettro espanso a frequenza F chip 11 chip x bit 11 Mhz di banda occupata F bit =1/T bit Fchip =1/T chip >>F bit T chip T bit 6

4 DS-SS PHY Frequenza di operazione: 2.4 GHz Differential Binary Phase Shift Keying DBPSK: 1 Mbit/s Differential Quadrature Phase Shift Keying DQPSK: 2 Mbit/s Pmax= 1W USA, 100 mw EU, Pmin=10mW Formato Frame PLCP DS-SS Start Frame Delimiter: indica l'inizio dell'informazione riguardante il PHY Signal: indica al PHY il tipo di modulazione da usare per la trasmissione e ricezione della MPDU (DBPSK e DQPSK) Data Rate=signal field value * 100 kbit/s Service: per usi futuri Length: numero di microsecondi necessari per trasmettere la MPDU 7 CRC: Frame Check Sequence 16 bit che protegge l'intestazione del frame FH-SS PHY L'SS code viene usato per scegliere su quali frequenze saltare (hopping). Hopping su 79 canali di 1 MHz ciascuno Nel complesso si ottiene un segnale che spazia in un ampio range di frequenze, da cui Spread Spectrum Usa modulazione Gaussian Frequency Shift Keying GFSK, a 1 e 2 Mbit/s 8

5 IR PHY Utilizza un segnale ottico a frequenza vicina al visibile (900 nm) A differenza degli IrDA (Infrared Data Association), non richiede Line of Sight per funzionare Range di circa 10m, max 20m Usa Pulse Position Modulation PPM Solo per indoor Non attraversa muri Poco (mai) usato 9 IEEE MAC Layer Servizi Real-Time MAC Layer Point Coordination Function (PCF) Distributed Coordination Function (DCF) Servizi Dati, Non Real-Time Physical Layer 10

6 CP e CFP La DCF gestisce Contention Period La PCF gestisce Contention Free Period CP e CFP formano un superframe Durante CFP l'ap fa polling sulle WSTA e decide chi far parlare Durante CP c'è contesa fra le WSTA senza controllo centralizzato Contention Period Contention Free Period Superframe (durata variabile) Qui non c'è controllo centrale, accesso regolato su contesa distribuita fra le stazioni Qui c'è controllo centrale dell'ap, che decide quali stazioni far parlare e quando (poll) 11 IEEE DCF Distributed Coordination Function: L'accesso al mezzo wireless è coordinato in modo distribuito. Non c'è un controllo centrale dell'accesso al canale. Sono possibili collisioni Per ridurre/evitare collisioni ciascuna stazione usa un tempo casuale durante il quale aspetta a trasmettere (backoff) 12

7 CSMA/CA In Ethernet: CSMA/CD, in una WLAN: - implementare una scheda transceiver che tx e rx allo stesso tempo è molto costoso nel wireless - non si può assumere che tutte le stazioni si sentano siano sempre connesse fra loro, ipotesi alla base di CSMA/CD Dunque: CSMA with Collision Avoidance + Positive ACK 13 Processo di Backoff SIFS = Short Inter Frame Space PIFS = PCF Inter Frame Space DIFS = DCF Inter Frame Space Backoff Time = random(0, Contention Window) Contention Window [CWmin, Cwmax] 14

8 IEEE PCF L'accesso al canale wireless è regolato dall'access Point L'AP decide chi e quando deve trasmettere e in base a questo chiama le stazioni relative (polling) La PCF viene utilizzata per supportare servizi che hanno specifici requisiti in termini di ritardo massimo sopportabile (voce, video) WSTA1 con voce 1 WSTA2 con video 2 3 WSTA3 con dati 15 RTS/CTS Data Acknowledge RTS: Request to Send: Chiedo il permesso di trasmettere CTS: Clear to Send: Permesso accordato! Puoi trasmettere! Request to Send Clear to Send Data Acknowledge 16

9 NAV Carrier Sensing Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CA Carrier Sensing a livello fisico : Clear Channel Assessment (CCA): con transceiver su RX si cerca la presenza di segnale sul canale wireless Carrier Sensing virtuale a livello MAC: Network Allocation Vector NAV. Contatore da Duration a 0. WSTA1 riceve il traffico WSTA1 WSTA2 WSTA2 non è il destinatario dunque setta il suo NAV al tempo Duration indicato da AP Durante tale tempo non trasmette Come WSTA2 WSTA3 AP invia dati indirizzati a WSTA. Insieme invia anche la durata di questi dati 17 RTS/CTS Dati Non sente, non setta il NAV, e prova a trasmettere HIDDEN TERMINAL Collisione!!!! 1. Request to Send Non sente il RTS, ma sente il CTS e setta il NAV! 2. Clear to Send 3. Dati 18

10 Network Allocation Vector - NAV DIFS Source RTS Data Destination SIFS CTS SIFS SIFS ACK Other NAV (RTS) NAV (CTS) DIFS Contention window Defer Access Backoff after Defer 19 IEEE x : MAC e PHY, 2.4GHz, max 2 Mbit/s b: PHY, DS-SS, 2.4 GHz, max 11 Mbit/s a: PHY, OFDM, 5 Ghz, max 54 Mbit/s g: PHY, OFDM, 2.4 Ghz, max 54 Mbit/s e: MAC: QoS i: sicurezza su WLAN f: roaming fra Access Point 20

11 IEEE b PHY Standard IEEE b: 1999 Allegato all'ieee , lo complementa, non lo sostituisce!! Specifica solo il Physical Layer Suddivide anch'esso PLCP e PMD Opera sempre nella frequenza Ghz (EU) ISM Mantiene sempre 1 Mbit/s (DBPSK) e 2 Mbit/s (DQPSK) di PHY Utilizza DS-SS/CCK(Complementary Code Keying) + DQPSK per Data rates a 5.5 e 11 Mbit/s DS-SS code: 11 chip per bit, CCK code = 8 chip per bit Banda occupata dopo lo spreading = 11 Mhz, (come.11 PHY) Pmax= 1 W (USA), 100 mw (EU) 21 Throughput vs Data Rate b Throughput (Mbit/s) Mbps 2Mbps 5.5Mbps 11Mbp TL Lunghezza Frame in byte Payload=1500 Bytes Rate Throughput 1Mbps 0.92Mbps 2Mbps 1.75Mbps 5.5Mps 4.03Mbps 11Mbps 6.44Mbps Throughput 17.24Mbps Limit 22

12 Wi-Fi Alliance Wi-Fi Alliance: Wireless Fidelity, marchio detenuto dalla Wireless Ethernet Compatibility Alliance WECA creata nel 1999 Organizzazione no-profit : 3com, Apple, AT&T, Cisco, Intel, HP, IBM, Microsoft, Nokia, Ericsson, etc etc utilizza anche IEEE b come livello fisico (802.11a,.11g...). Nata per la promozione della libertà di accesso alla Rete con WLAN 23 Canale Wireless: Multipath 24

13 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM Segnale Digitale IN Conversione Seriale/Parallelo Elaborazione IFFT Inserzione Prefisso Ciclico Segnale RF TX Ampiezza Ampiezza f 0 Frequenza B Frequenza Essendo il segnale utile suddiviso su più frequenze, risulta più stabile contro eventuali fenomeni di multipath fading Portanti ortogonali, dunque si riduce ISI Prefisso ciclico: copia dell'ultimo simbolo informativo attaccata all'inizio del frame, serve per riallineare i frame ricevuti, e contrasta effetti di delay spread del canale radio e di ISI 25 IEEE a PHY Standard IEEE a: 1999, allegato a Descrive solo Physical Layer Usa OFDM al livello fisico. OFDM, constrastando effetti negativi del canale (ISI, multipath fading), permette alti data rates, da 6 a 54 Mbit/s Durata di un simbolo OFDM=4µs Ptxmax=~30 mw in Europa Tempo di guardia fra un simbolo e l'altro=0.8µs Frequenza operativa: GHz e Ghz in US, UNII Unlicensed National Information Infrastructure band in Europa , ma esistono ancora notevoli limitazioni all'utilizzo. 26

14 Schema Tx a 27 Data Rates a Il throughput è fortemente dipendente dalla potenza in trasmissione e dalla distanza dall'ap 28

15 Tx a 29 Throughput vs Data Rate in a Throughput (Mbit/s) Mbps 9Mbps 12Mbps 18Mbps 24Mbps 36Mbps 48Mbps 54Mbps 108(=2*54)Mbps 162(=3*54)Mbps 216(=4*54)Mbps TL Payload=1500 Bytes Rate Throughput 54Mbps 30.34Mbps 108Mbps 40.93Mbps 162Mps 50.10Mbps 216Mbps 53.69Mbps Throughput 75.24Mbps Limit Lunghezza del frame in byte 30

16 IEEE g IEEE g: allegato a Dà specifiche sul solo Physical Layer High-speed extension del PHY a 2.4 Ghz ISM Pensato per risolvere problemi di progettazione ai 5 GHz Utilizza OFDM come a Data rates: 1,2,6...,48, 54 Mbit/s RTS/CTS per evitare collisioni da coesistenza con b Slot time=20 µs o 9 µs se solo g Extended Rate PHY - ERP: PHY che lavora su 2.4 Ghz ed è un'estensione del PHY DS-SS in g: modulazioni e rates 1.DS-SS/CCK Complementary Code Keying: 1, 2, 5.5, 11 Mbit/s (tutte mandatory ) 2.OFDM: 6, 9, 12, 28, 24, 36, 48, 54 Mbit/s 3.CCK OFDM (stessi rate di 2.): combina DS-SS preamble e header con OFDM payload transmission Compatibilità 1:1 fra segnali single-carrier e multi-carrier (OFDM) 32

17 ETSI HIPERLAN Standard ETSI HIgh PERformance LAN BRAN (Broadband Radio Access Networks) ETSI ha definito 4 tipi di HIPERLAN: type 1 e type 2 (WLAN su 5.2 GHz, HIPERACCESS (WLL su 5.2 GHZ) e HIPERLINK (p2p su 17 GHz) Multihop routing al livello MAC Schema di accesso: simile a CSMA ma con segnalazione attiva Ogni nodo invia un burst di segnalazione prima di tx, durante l'idle time fa carrier sensing Il MAC usa accesso con priorità, solo i pacchetti con maggiore priorità vengono scelti per la trasmissione dedicata, gli altri devono seguire fase di contesa 33 La famiglia HIPERLAN 34

18 Bluetooth: motivazioni Tecnologia nata per ovviare ai problemi di mancanza di compatibilità fra periferiche digitali 1998: consorzio Bluetooth (soprannome di un re danese del X secolo) con Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba, Intel 1999: prima specifica su Bluetooth, per interconnessione di palmari, portatili e cellulari entro 10m Supera il problema del Line of Sight dei link IrDA Supporta anche comunicazioni punto-multipunto 35 Bluetooth: specifiche Frequenza di lavoro: 2.4 Ghz, max 721 Kbit/s x dati + 3 canali voce Usa FH-SS con 79 frequenze spaziate di 1 Mhz da a Ghz, ogni 625µs cambia portante (Time Division Duplexing), ciò per ridurre interferenze con WLAN, etc Ptx=1 mw o 100 mw Usa modulazione Gaussian Frequency Shift Keying GFSK 36

19 Bluetooth e WPAN WLAN Rete cablata WPAN 37 Bluetooth architettura Applicazioni TCP/UDP IP PPP Altri Protocolli Audio RFCOMM L2CAP Link Manager Baseband RF RF Communication Link: com. seriale su RF Logical Link Control and Adaptation Protocol Livello Data Link OSI Criptazione, controllo di errore Specifiche trasmissione radio 38

20 Scatternet e Piconet Piconet: suddivisa in un Master e in vari Slave 3 bit di indirizzo per gli Slave, meno ind di broadcast: max 7 Slave per Piconet Ogni piconet trasmette su un diverso canale FH, con capacità complessiva di 1 Mbit/s Piconet diverse hanno portanti ortogonali, dunque non interferiscono fra loro, almeno con meno di 12 piconet per area Accesso basato su Polling: il Master decide chi deve parlare fra gli Slave Ogni device Bluetooth cerca altri Slave nei paraggi In genere chi chiama diventa Master, ma i ruoli possono poi invertirsi Più Piconet colloquiano attraverso una Inter-Piconet Unit (IPU), che fa da gateway, crea una Scatternet 39 HomeRF Tecnologia studiata a fine anni '90 Basato su Shared Wireless Application Protocol (SWAP) combinazione di servizi sincroni e centralizzati e ad-hoc MAC: TDMA per traffico sincrono (real-time) e CSMA/CA distribuito come DCF di per traffico asincrono MAC: superframe con due CFP e un CP Range gestibile da SWAP: > 50m indoor Data rate fino a 1 Mbit/s PHY: simile a IEEE FH-SS 40

21 IEEE WPAN IEEE (creato nel 2000) ha definito: High-Data Rate WPANs multimedia con richiesta elevata di QoS Medium-Rate WPANs /Bluetooth: x cellulari e PDA e QoS per voce Low-Rate WPANs : applicazioni con basso consumo di potenza e poche esigenze di QoS IEEE : creato per studiare coesistenza di Bluetooth e IEEE b PHY sui 2.4 Ghz 41 Copyright (C) 2003 Universita' di Firenze Via S. Marta 3, Firenze - ITALIA Tutti i diritti sono riservati. L'Universita' di Firenze impone il proprio copyright su tutti i documenti pubblicati sul sito: E' pertanto vietata la riproduzione o la copia totale o parziale dei documenti per qualunque scopo e con qualunque mezzo o supporto, anche telematico. In deroga a quanto sopra, e' permessa la consultazione a distanza dei documenti tramite una rete di comunicazione, per il solo uso personale. La memorizzazione, su qualunque supporto, e' ammessa solo per quanto necessario o implicito durante la consultazione remota. Ogni copia cosi' creata sara' distrutta immediatamente dopo la consultazione. Tuttavia l'universita' di Firenze consente la circolazione dei documenti a scopo educativo o scientifico. Questo puo' avvenire a titolo oneroso o gratuito a seconda dei casi. La disponibilita' di una licenza d'uso per un particolare documento e' sempre segnalata da un riferimento, contenuto nel documento stesso, ad un file specifico, che contiene la licenza d'uso. Il file e' di solito denominato "license.txt". Ogni uso non espressamente autorizzato dai termini della licenza d'uso e' espressamente vietato. Gli studenti dell'universita' di Firenze sono autorizzati ad usare il contenuto del sito a titolo gratuito a fini didattici e personali durante tutto il percorso di studio. Copyright (C) 2003 Universita' di Firenze Via S. Marta 3, Firenze - ITALIA All rights reserved. The Universita' di Firenze mantains all rights on all documents published on the WEB site: Therefore, partial or total copy or reproduction of any such document is forbidden. Remote consultation by electronic communication is allowed for personal use only. Memorization on any support is allowed only during remote consultation, and only if required or implied in the remote consultation. Any copy created during the remote consultation will be destroyed immediately after remote consultation ends. Nevertheless, Universita' di Firenze allows free circulation of a document for educational or scientific purposes. License availability is always signalled by a reference in the document, usually to a file named "license.txt". Licence may be free or with cost, as specified in the license. Any use, not specifically authorized by the license clauses is forbidden. Students of the Universita' di Firenze are permitted to free use of the site content in connection with their studies at the university. 42

22 LICENZA SOFTWARE DELL'UNIVERSITA' DI FIRENZE Versione 1.1, Settembre Copyright (C) 2002 Universita' di Firenze - Via S. Marta 3, Firenze - ITALIA Tutti i diritti sono riservati. Questo documento puo' essere liberamente copiato e distribuito da chiunque, ma a nessuno e' permesso di cambiarlo in alcun modo. Preambolo Il copyright imposto sui documenti pubblicati sul sito MMEDIA5.DET.UNIFI.IT ha lo scopo di consentire la libera circolazione del lavoro a scopo educativo, mantenendo pero' il doveroso riconoscimento agli autori delle varie parti. Si vuole, inoltre, consentire l'ulteriore distribuzione del lavoro sotto qualunque forma, anche con modifiche, mettendo pero' il successivo ricevente in grado di conoscere da chi il materiale sia stato originariamente scritto e da chi rivisto o modificato. Per questo, si impone il Copyright su tutto il materiale, ma si concede gratuitamente licenza per l'uso e l'ulteriore distribuzione, con la possibilita' di modificare il materiale, purche' vengano seguite le regole scritte piu' avanti. Il diritto di cui sopra e' concesso con la restrizione che il materiale modificato e redistribuito sia soggetto alle stesse restrizioni del materiale originario, e che la distribuzione avvenga a titolo gratuito o con la sola copertura delle spese vive con un piccolo margine per le spese generali di distribuzione. Inoltre, la redistribuzione del materiale o la distribuzione di materiale modificato dovranno essere fatte in modo da garantire che ulteriori distribuzioni vengano fatte mantenendo le condizioni originarie. Ogni utente di MMEDIA5 potra' proporre all'universita' di Firenze la pubblicazione di documenti in MMEDIA5. Scrivere a: fpirri@ing.unifi.it Tali documenti saranno soggetti ai termini qui specificati. Le condizioni per la licenza di pubblicazione e modifica sono riportate di seguito. LICENZA PER IL MATERIALE "MMEDIA5" CONTENUTO NEL SITO WEB "MMEDIA5.DET.UNIFI.IT" CONDIZIONI PER L'USO, LA MODIFICA E LA DISTRIBUZIONE 1.- Questa licenza e' applicabile al materiale contenuto nel sito WEB del Laboratorio di Tecnologia della Telematica, Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni dell'universita' di Firenze, via di S. Marta 3, Firenze - Italia (attualmente con indirizzo internet: che riporta al suo interno un avviso o legame con un file contenente la presente licenza. In questa licenza, con MMEDIA5 si intende un qualunque documento originariamente presente nel sito. Per "documento derivato" si intende ogni documento che contenga porzioni oppure un intero documento MMEDIA5, con o senza modifiche, con o senza traduzioni in altra lingua, con o senza variazioni di supporto di memorizzazione o stampa; in questa licenza ogni documento di questo tipo e' indicato come "documento derivato". Per licenziatario si intende qualunque persona o organizzazione che copia, consulta, legge, memorizza su un qualunque supporto, produce o distribuisce a terzi un MMEDIA5 o un documento derivato. Per UNIVERSITA' si intende l'universita' di Firenze. 2.-Un licenziatario puo' copiare, consultare, leggere, memorizzare su un qualunque supporto, produrre e distribuire a terzi un MMEDIA5, purche' su ogni copia, produzione, esibizione o distribuzione sia evidenziato il copyright originario, il ricevente sia adeguatamente informato della provenienza del materiale e dell'esistenza di questa licenza e questa licenza sia inserita indivisibilmente e senza modifica alcuna assieme all'mmedia5. L'eventuale cessione o distribuzione devono essere a titolo gratuito. 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Queste autorizzazioni non comporteranno variazioni per i licenziatari preesistenti Essendo la licenza gratuita, l'universita' fornisce MMEDIA5 cosi' come si trova, e non assume alcuna garanzia di esattezza dei contenuti, o di adeguatezza a qualsiasi scopo. Inoltre, le singole parti di MMEDIA5 sono espressione dei vari autori o revisori menzionati e non espressione dell'universita', non comportano ne' implicano accettazione del contenuto da parte dell'universita'. 44