Wireless Local Area Networks

Corso di Telematica AA. 2002-2003 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: http://mmedia5.det.unifi.it/license.txt 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 802.11: WLAN 802.12: Demand Priority Access Method 802.14: Cable TV 802.15: Wireless Personal Area Networks 802.16: Broadband Wireless Access Methods 2

IEEE 802.11 Primo standard IEEE 802.11 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 802.11: Topologia Infrastructure Mode Rete cablata Ad-Hoc Mode Basic Service Set BSS: insieme di stazioni controllate dalla stessa Coordination Function 4

IEEE 802.11 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 1 1 0 1 0 1 Fchip =1/T chip >>F bit T chip T bit 6

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

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 802.11 MAC Layer Servizi Real-Time MAC Layer Point Coordination Function (PCF) Distributed Coordination Function (DCF) Servizi Dati, Non Real-Time Physical Layer 10

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 802.11 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

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

IEEE 802.11 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

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

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 802.11x 802.11: MAC e PHY, 2.4GHz, max 2 Mbit/s 802.11b: PHY, DS-SS, 2.4 GHz, max 11 Mbit/s 802.11a: PHY, OFDM, 5 Ghz, max 54 Mbit/s 802.11g: PHY, OFDM, 2.4 Ghz, max 54 Mbit/s 802.11e: MAC: QoS 802.11i: sicurezza su WLAN 802.11f: roaming fra Access Point 20

IEEE 802.11b PHY Standard IEEE 802.11b: 1999 Allegato all'ieee 802.11, lo complementa, non lo sostituisce!! Specifica solo il Physical Layer Suddivide anch'esso PLCP e PMD Opera sempre nella frequenza 2.4 2.4835 Ghz (EU) ISM Mantiene sempre 1 Mbit/s (DBPSK) e 2 Mbit/s (DQPSK) di 802.11 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 802.11b Throughput (Mbit/s) 18 16 14 12 10 8 6 4 2 1Mbps 2Mbps 5.5Mbps 11Mbp TL 0 0 500 1000 1500 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

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 802.11b come livello fisico (802.11a,.11g...). Nata per la promozione della libertà di accesso alla Rete con WLAN 23 Canale Wireless: Multipath 24

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM 1100011111000111 Segnale Digitale IN Conversione Seriale/Parallelo 1 0 1 1 1 0 Elaborazione IFFT 1 0 1 1 1 0 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 802.11a PHY Standard IEEE 802.11a: 1999, allegato a 802.11 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: 5.15-5.35 GHz e 5.725-5.825 Ghz in US, UNII Unlicensed National Information Infrastructure band in Europa 5.15-5.35, ma esistono ancora notevoli limitazioni all'utilizzo. 26

Schema Tx 802.11a 27 Data Rates 802.11a Il throughput è fortemente dipendente dalla potenza in trasmissione e dalla distanza dall'ap 28

Tx 802.11a 29 Throughput vs Data Rate in 802.11a Throughput (Mbit/s) 80 70 60 50 40 30 20 10 6Mbps 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 0 0 500 1000 1500 Lunghezza del frame in byte 30

IEEE 802.11g IEEE 802.11g: allegato a 802.11 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 802.11a Data rates: 1,2,6...,48, 54 Mbit/s RTS/CTS per evitare collisioni da coesistenza con 802.11b Slot time=20 µs o 9 µs se solo 802.11g Extended Rate PHY - ERP: PHY che lavora su 2.4 Ghz ed è un'estensione del PHY DS-SS in 802.11 31 802.11g: 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

ETSI HIPERLAN Standard ETSI 1996 - 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

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 2.402 a 2.480 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

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

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 802.11 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 802.11 FH-SS 40

IEEE WPAN IEEE 802.15 (creato nel 2000) ha definito: High-Data Rate WPANs 802.15.3 multimedia con richiesta elevata di QoS Medium-Rate WPANs 802.15.1/Bluetooth: x cellulari e PDA e QoS per voce Low-Rate WPANs 802.15.4: applicazioni con basso consumo di potenza e poche esigenze di QoS IEEE 802.15.2: creato per studiare coesistenza di Bluetooth e IEEE 802.11b PHY sui 2.4 Ghz 41 Copyright (C) 2003 Universita' di Firenze Via S. Marta 3, 50139 Firenze - ITALIA Tutti i diritti sono riservati. L'Universita' di Firenze impone il proprio copyright su tutti i documenti pubblicati sul sito: http://mmedia5.det.unifi.it 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, 50139 Firenze - ITALIA All rights reserved. The Universita' di Firenze mantains all rights on all documents published on the WEB site: http://mmedia5.det.unifi.it 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

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