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Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007

Tema 3.-Tecnologías inalámbricas de red

Aspectos básicos de las comunicaciones inalámbricaso Conceptos básicoso Modelos de propagación

Gran escalaPequeña escala

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Decibelios

Los dB (deciBel) son una unidad adimensional utilizada para representar ratios y ganancias en escala logarítmicao Las ganancias se suman en vez que multiplicarse

Ejemplo: cálculo de la atenuación T-Ro PT=100, PR=10o [PT/PR]dB = 10 log(PT/PR) = 10 log(10) = 10 dB

Valores útiles:o [1/2]dB ≈ -3 dBo [1/1000]dB = -30 dB

Permiten expresar valores absolutos:o [n mW]dBm = [n/mW]dB Ej.: [1mW]dBm = 0 dBmo [n W]dBW = [n/W]dB Ej.: [1 mW]dBW = -30 dBW

De decibelios a potencia: P = 10dB/10

)log(log10log10 121

210

1

2 pppp

pp

dB

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡

dbm watt0 0.001

10 0.0120 0.130 140 10

dbm watt0 0.001

10 0.0120 0.130 140 10

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Antenas: conceptos básicos

Non Isotropic Antennao Irradia la energía que recibe solo

en una sección del espacio que la rodea.

Isotropic Antennao Irradia la energía que recibe en

todo el espacio que la rodea.

YAGI Directional Antenna

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Antena Yagi exterior (13,5 dBi)Alcance: 6 Km a 2 Mb/s

2 Km a 11 Mb/s

Antena Parabólica exterior (20 dBi)Alcance: 10 Km a 2 Mb/s

4,5 Km a 11 Mb/s

Antenas de largo alcance

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Antena dipolo diversidad paraefectos multipath

Antena de parche para montajeen pared interior o exterior (8,5 dBi)Alcance: 3 Km a 2 Mb/s

1 Km a 11 Mb/s

Horizontal Radiation

Más ejemplos de antenas

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Bandas sin licencia en USA

Industrial, Scientific, and Medical (ISM) o 902 – 928 MHz band.

Ahora en disuso para WLANo 2400 – 2483.5 MHz ISM band.

Unlicensed National Information Infrastructure (UNII):o 5.15 – 5.25 GHz.o 5.25 – 5.35 GHz.o 5.725 – 5.850 GHz ISM band.

ExtremelyLow

VeryLow

Low Medium High VeryHigh

UltraHigh

SuperHigh

Infrared VisibleLight

Ultra-violet

X-Rays

AudioAM Broadcast

Short Wave Radio FM BroadcastTelevision Infrared wireless LAN

902 - 928 MHz26 MHz

Cellular (840MHz)NPCS (1.9GHz)

2.4 - 2.4835 GHz83.5 MHz

(IEEE 802.11)

5 GHz(IEEE 802.11)

HyperLANHyperLAN2

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Bandas sin licencia en Europa

Bandas aprobadas por el CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations)

2400 – 2483.5 MHz, basada en la ISM.5.15 – 5.35 GHz.5.470 – 5.725 GHz.

ExtremelyLow

VeryLow

Low Medium High VeryHigh

UltraHigh

SuperHigh

Infrared VisibleLight

Ultra-violet

X-Rays

AudioAM Broadcast

Short Wave Radio FM BroadcastTelevision Infrared wireless LAN

Cellular (840MHz)NPCS (1.9GHz)

2.4 - 2.4835 GHz83.5 MHz

(IEEE 802.11)

5 GHz(IEEE 802.11)

HyperLANHyperLAN2

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Europe19 Channels(*assumes noantenna gain)

1W200mW

Detalles de la banda de 5 GHz

5.15 5.35 5.470 5.725 5.8255 GHzUNII Band

5.25

UNII-1: Indoor Use, antenna must be fixed to the radioUNII-2: Indoor/Outdoor Use, fixed or remote antennaUNII-3: Outdoor Bridging Only (EIRP limit is 52 dBm if PtP)

UNII-140mW

(22 dBm EIRP)

UNII-2200mW

(29 dBm EIRP)

US (FCC)12 Channels(*can use up to

6dBi gain antenna)

UNII-3800mW

(35 dBm EIRP)

4 Channels

*if you use a higher gain antenna, you must reduce the transmit power accordingly

4 Channels 4 Channels11 Channels

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Calculo del Power Budget

PPrxrx = = PPtxtx+G+Gpapa--GGtxltxl+G+Gtxatxa--LLpathpath+G+Grxarxa+G+Grara--GGrxlrxlo Ptx[dBm]=Power generated by TXo Gpa[dB]=Gain of the Power Amplifiero Gtxa[dBi]=Gain of TX antennao Gtxl[dB]=Gain (loss) of transmission lineo Lpth[dB]=Loss of the transmission mediumo Grxa[dBi]=Gain of RX antennao Gra[dB]=Gain of the Receive Amplifiero Grxl[dB]=Gain (loss) of receiving lineo Prx[dBm]=Power receivedo Sr[dBm]=Sensivity of receiver Gtxl

Debe valer la condición Debe valer la condición PrxPrx > > SrSr

EIRP (Effective Isotropically Radiated

Power) = Ptx+Gpa+Gtxa-Gtxl

TX PA

RXRA

Ptx Gpa GTXA Lpath Grxa Gra Sr

Gtxl Grxl

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Representación grafica del power budget

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Características del canal inalámbrico

Theodore S. Rappaport , “Wireless Communications : Principles and Practice”, Prentice Hall, July 1999

El canal inalámbrico sufre de los efectos de los dos siguientes fenómenos:

o Distancia Path attenuation (Large scale fading)

o Multipath (Small scale fading)dispersión en el tiempo debida a los diferentes caminos de la señal

La señal verde recorre 1/2λ más de la línea en amarillo. El receptor recibe la señal en rojo. Para f = 2,4 GHz, λ = c/f = 12.5cm

La señal verde recorre 1/2λ más de la línea en amarillo. El receptor recibe la señal en rojo. Para f = 2,4 GHz, λ = c/f = 12.5cm

T R

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Mecanismos/modelos de propagación

Propagación Free Spaceo Solamente ondas directas. Ejemplos: regiones cerca de la fuente,

cámaras anecoicas, antenas muy elevadas.

Propagación terrestre:o Contacto visual (tierra plana):

Refracción (Refraction): depende del tipo de los materiales conductores o dieléctricos

o Tierra esférica:Diffraction: zonas de Fresnel

Propagación en el espacio:o Scattering, absorción, ...

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Propagación free space

Calculo de la potencia recibida cuando T&R tienen contacto visual (LOS)

o “la atenuación de la señal que resultaría eliminando todos los efectos de absorción, difracción, obstrucción, reflexión, dispersión.”

Ecuación de Friis:

Valida solo para d en la región de Fraunhofer (far-field region):“el área alrededor de una antena en la cual la radiación aparecevenir de un solo punto”

d > df = 2D2/λ; D es la dimensión más grande de la antenaλ longitud de onda de la portadora

222

2

)4()(

dPK

LdGGPdP trtt

r ==π

λ

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Difracción

La difracción ocurre cuando una onda golpea el borde de un obstáculo

o El exceso de longitud del recorrido produce un desplazamiento de fase

o Las zonas de Fresnel meten en relación los desplazamientos de fase con la posición de los obstáculos

Las zonas de Fresnel son elipses con T y R en los focos

o L1 = L2+λo El campo visual (line of sight, LOS)

corresponde a la primera zonao Si la LOS está parcialmente

bloqueada la zona 2 puede interferir de forma destructiva

TR

1st Fresnel zone

Obstruction

Path 1

Path 2



Aspectos básicos de las comunicaciones inalámbricaso Conceptos básicoso Modelos de propagación

Gran escalaPequeña escala

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Modelos de propagación

Gran escala (large scale): predicen el comportamiento de una señal promediado sobre grandes distancias (» λ)

o Depende de la distancia y de las características relevantes del entornoo Básicamente independiente de la frecuencia

Pequeña escala (small scale fading): describen las variaciones de las señal en escala con λ

o Domina el efecto del Multipath (phase cancellation). La atenuación se puede considerar constante

o Depende de la frecuencia y del ancho de bandao “Fading”: representa cambios rápidos de la señal sobre pequeñas

distancia o intervalos temporales

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Comparación

Distancia

Pote

ncia

10-100 m(1-10 secs)

0.1 -1 m(10-100 msecs)

Exponencial

Large-scale Fading

Small-scale Fading

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Modelos de propagación a gran escala:path loss

Se refiere al calculo de la potencia de la señal en el receptor en base a la distancia d entre transmisor (T) y receptor (R)

Calculo del path loss: PL(d) = PL (d0)+10nlog(d/d0) (dB)

PL(d0) se calcula con la ecuación de Friis, considerando Gt=Gr=L=1:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−==

λπ

πλ d

dPPdPL

r

t )4(log20)4(

log10log10)( 22

2

0

T Rd

d0df

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Modelos de propagación a gran escala:path loss un ejemplo

Datos: d=10km, f=900MHz, ο λ=c/f = 3*108/9*108 = 1/3mo d0=1km

PL(d0) = 20log(4π1000/λ) = 91,5 dBo free space n=2

PL(d) = PL (d0)+10nlog(d/ d0) = 91,5 + 10*2*log(10000/1000) = 111,5 dB

o ciudad n=3.5PL(d) = PL (d0)+10nlog(d/ d0) = 91,5 + 10*3.5*log(10000/1000) = 126,5 dB 4-6Indoor no LOS

1.6-1.8Indoor LOS

3-5Shadowed urban area

2.7-3.5Urban area

2Free space

nEnvironment

T Rd

d0df

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Modelos de propagación a gran escala:Log-normal shadowing

Se consideran las variaciones del entorno a pesar de que d sea constanteSe añade por eso una variable casual Gaussiana

o Donde Xσ es una variable casual Gaussiana con (µ=0, σ)

Entonces:

σσ XddndPLXdPLdBdPL +⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=+=

00 log10)()(])[(

])[(][])[( dBdPLdBmPdBmdP tr −=

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Modelos de propagación a gran escala:modelos para exteriores

Modelos: “2-Ray” Ground Reflectiono para d >> hrht,

El bajo ángulo de incidencia permite a la tierra de actuar como un reflectorLa señal reflejada tiene un desfase de 180°Pr ∝ 1/d4 (n=4)

Modelos de difracción para terrenos montañosos (hilly terrain)

o La propagación puede pude ser LOS o resultar en la difracción en las varias crestas

o Si no hay LOS la difracción puede ayudar ...

RT

ht hr

Phase shift!

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Modelos de propagación a gran escala:modelos para interiores

En los modelos para interiores se puede generalizar menos:o El entorno es más dinámicoo Las características importantes son mas pequeñaso Distancias son más cercanas al near-fieldo Más clutters, hay scattering, menos LOS

Técnicas de modelado:o Log-Normal, n<2 cuando hay LOSo Log-Normal shadowing model si no hay LOSo Atenuación debida a tabiques y al sueloo Modelos 3D complejos basados en “ray-tracing” de los edificios y de los

factores de atenuación de los materiales

Material Loss (dB) FrequencyConcrete block 13-20 1.3 GHzPlywood (3/4”) 2 9.6 GHzPlywood (2 sheets) 4 9.6 GHzPlywood (2 sheets) 6 28.8 GHzAluminum siding 20.4 815 MHzSheetrock (3/4”) 2 9.6 GHzSheetrock (3/4”) 5 57.6 GHzTurn corner in corridor 10-15 1.3 GHz

Material Loss (dB) FrequencyConcrete block 13-20 1.3 GHzPlywood (3/4”) 2 9.6 GHzPlywood (2 sheets) 4 9.6 GHzPlywood (2 sheets) 6 28.8 GHzAluminum siding 20.4 815 MHzSheetrock (3/4”) 2 9.6 GHzSheetrock (3/4”) 5 57.6 GHzTurn corner in corridor 10-15 1.3 GHz

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Propagación radio en un entorno cerrado

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Otro ejemplo

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Modelos de propagación a pequeña escala: efectos del Multipath

Pequeña escala (small scale fading): describen las variaciones de las señal en escala con λ

o Domina el efecto del Multipath (phase cancellation). La atenuación se puede considerar constante

o Depende de la frecuencia y del ancho de bandao “Fading”: representa cambios rápidos de la señal sobre pequeñas

distancia o intervalos temporalesRápidas variaciones de la potencia de la señal a causa de la cancelación de faseModulación de la frecuencia producida por Doppler shifts a causa del movimiento de R o T

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Modelos estadísticos del fading

Los modelos de Fading modelan la probabilidad de fading en determinadas localizacionesLos modelos más sencillos están basados en el principio de WSSUSo Wide Sense Stationary (WSS)

Las estadísticas son independientes de pequeñas perturbaciones en el tiempo y posiciónEs decir, parámetros estadísticos fijos para nodos estacionarios

o Uncorrelated Scatter (US)Los diferentes paths no están correlatos en fase o atenuaciónEs decir, Las componentes multipath componentes pueden ser VC independientes

Distribuciones comuneso Rayleigh fading distribution

Models a flat fading signalUsed for individual multipath components

o Ricean fading distributionUsed when there is a dominant signal component, e.g. LOS + weakermultipathsparameter K (dB) defines strength of dominant component; for K=-∞, equivalent to Rayleigh



Redes WLAN: IEEE 802.11 o la capa físicao la capa MAC o calidad de servicio: 802.11e o seguridad: WAP y 802.11io MIMO: 802.11no herramientas de gestión




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El estándar IEEE 802.11

En el 1997 nace el: o IEEE Working Group for WLAN Standards:http://grouper.ieee.org/groups/802/11/index.html

Se define el MAC y tres diferentes niveles físicos, que operan a1Mbps y 2Mbps:

o Infrarrojos (IR) en banda baseo Frequency hopping spread spectrum (FHSS), banda de 2,4 GHzo Direct sequence spread spectrum (DSSS), banda de 2,4 GHz

IEEE Std 802.11b (septiembre 1999):o Extensión de DSSS; hasta 11 Mbps

IEEE Std 802.11a (diciembre 1999):o Otro estándar de nivel físico (OFDM):

Orthogonal frequency domain multiplexing o Hasta 54 Mbps

IEEE Std 802.11g (junio 2003)...

PHYLayer

Infra-Red(IR)

5 GHz (OFDM)Orthogonal Frequency Division Multiplexing

2.4 GHz (DSSS)Direct Sequence Spread Spectrum

2.4 GHz (FHSS)Frequency Hopping Spread Spectrum

802.11 IR1 / 2 Mbit/s

802.11b / TGbHigh Data Rate Extension

5.5/11 Mbit/s

802.11b-cor1 / TGb-cor1Corrigendum MIB

802.11g / TGgData Rates >20 Mbit/s

802.11d / TGdRegulatory Domain Update

802.11 FHSS1 / 2 Mbit/s

802.11 DSSS1 / 2 Mbit/s

802.11a / TGaHigh Data Rate Extension

6/12/24 Mbit/sOptional 9/18/36/54 Mbit/s

802.11h / TGhSpectrum Managed

802.11a

WLANs Next Gemeration SCGlobalization &Harmonization

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Técnicas de Spread Spectrum

Beneficios o No se producen interferencias

con otras señaleso Mayor inmunidad al ruidoo Difíciles de interceptarFrequency Hopping (FHSS)o Utiliza una de 78 secuencias del

salto. Salto a un nuevo canal del 1MHz (sobre un total de 79 canales) por lo menos cada 400milliseconds

o Requiere la adquisición y la sincronización del salto

Direct Sequence (DSSS)o Utiliza uno de los 11 canales

‘solapados’ y multiplica la señal para una secuencia de spreading para ensanchar datos a 1M-symbol/sec data sobre 11MHz

X

=

“symbol”

“Barker” sequence

Result of multiplication

Symbol time ts“1” “0”

Chip time tc

TimeTime

ff33ff22ff11

ff44

ff55

ff66

ff77

Freq

.Fr

eq.

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802.11 DSSS Radio Interface

1 Mbps o 1 Msymbol/s BPSK spread by 11 chip Barker code, o (-4 dB Bandwidth = 11 MHz, main lobe = 22 MHz), o IEEE 802.11

2 Mbps o 1 Msymbol/s QPSK spread by 11 chip Barker code o (-4 dB Bandwidth = 11 MHz, main lobe = 22 MHz), o IEEE 802.11

5.5 Mbps o 2 Msymbol/s QPSK like symbols spread by 8 chip Complementary Code Keying

(CCK). o IEEE 802.11b

11 Mbps o 4 Msymbol/s QPSK like symbols spread by 8 chip Complementary Code Keying

(CCK). o IEEE 802.11b

54 Mbps o OFDM with max. 52 sub-carriers, o IEEE 802.11a / IEEE 802.11g

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802.11 DSSS Frame Format

PPDU: PLCP protocol data unito Durante la transmisión las MPDU son precedidas por el preámbulo y la cabecera del PLCP para crear la PPDUo El preámbulo y la cabecera del PLCP son transmitidas utilizando una modulación DBPSK a 1 Mbit/so Todos los bits son scrambled para obtener la función de ‘data whitener’

Synchronization (SYNC) fieldo Field allows receiver to perform necessary SYNC operationso Also provides for:

gain setting, energy detection, antenna selection, frequency offset compensation

Start Frame Delimiter (SFD) fieldo Indicates start of PHY-dependent parameters within PLCP Preamble

SIGNAL fieldo Indicates to PHY the modulation used for transmission (and reception) of the MPDUo Data rate = signal field value x 100 kbit/s

SERVICE fieldo Reserved for future use. Value of 00 signifies IEEE 802.11 device compliance

LENGTH fieldo Unsigned 16-bit integer. Indicates time (in µS) required to transmit the MPDU

Header Error Check (HEC) fieldo SIGNAL, SERVICE, and LENGTH fields protected with a CCITT CRC-16 Frame Check Sequence (FCS)o All FCS calculations made prior to data scrambling

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802.11b High Rate DSSS Frame Format

Extension of IEEE 802.11 DSSS formatAdditionally provides 5.5 Mbit/s and 11 Mbit/s data ratesUses same PLCP preamble and header as DSSS

o both PHYs can co-exist in the same BSS o can use the rate switching mechanism as provided.

Two different preambles and headers are defined: o Long Preamble & Header

mandatory & supportedinteroperates with the current 1 Mbit/s and 2 Mbit/s DSSS spec

o Short Preamble & Headeroptional where maximum throughput is desiredexpected to be used only in networks of like equipment

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802.11b High Rate DSSS Optional Services

Mode replacing CCK modulation with packet binary convolutional coding (PBCC)Channel agilityHR/DSSS/short mode:

o Allows data throughput at higher rates (2, 5.5, & 11 Mbit/s) to be significantly increased by using a shorter PLCP preamble

Can coexist with DSSS, HR/DSSS, or HR/DSSS/PBCC under limited circumstances

o different channels o with appropriate CCA

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HR/DSSS: Long Frame Format

Same format as IEEE 802.11 DSSS FrameThe only exceptions are:

o Encoding of the rate in the SIGNAL field. Represent rate in units of 100 kbit/s0A for 1 Mbit/s, 14 for 2 Mbit/s, 37 for 5.5 Mbit/s, 6E for 11 Mbit/s

o SERVICE fieldRightmost bit (bit 7) used to supplement LENGTH field

– resolve an ambiguity in PSDU length in octets, when length expressed in µS

Bit 3 used to indicate whether modulation method is CCK <0> or PBCC <1>Bit 2 used to indicate that transmit frequency and symbol clocks are derived from same oscillatorAn IEEE 802.11-compliant device shall set values of bits b0, b1, b4, b5, and b6 to 0

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HR/DSSS: Short Frame Format

Short Synch fieldo Consists of 56 scrambled “0” bits. o So receiver can perform necessary SYNC

Start Frame Delimiter (SFD) fieldo Time reverse of long PLCP SFD field o Not detected by non-compliant receivers

SIGNAL fieldo Only 1 Mbit/s removedo Remaining fields same as HR DSSS Long Frame format

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Los canales de 802.11b Overview

El estándar prevé 14 canales de 22 MHz de amplitud o el FCC solo utiliza los primeros 11o en España solo el 10 y el 11

3 canales que no solapan (1, 6,11)data rate de 11 MbpsTres puntos de acceso pueden estar ‘cerca’ para obtener un total de 33 Mbps de throughput agregado

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estándar IEEE 802.11a

5 GHz, 54 Mbps, OFDM technologyo Data rates supported: 54, 48, 36, 24, 12, and 6 Mbpso Can “downshift” to lower data rates for longer range

Worldwide compatibility issues for 5 GHz bando Effort underway to allow 802.11a operation in European countrieso Long-term: Worldwide usage with adoption of Transmit Power Control

(TPC) and Dynamic Frequency Selection (DFS) per 802.11h standard5 GHz band has more channels than 2.4 GHz band

o UNII-1 + UNII-2 = 8 non-overlapping channels (vs. 3 channels for 2.4GHz)

5 GHz band subject to less interference than 2.4 GHz ISM bando However, 2.4GHz interference not a major problem in most business

environments

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estándar IEEE 802.11g

Ratificado en junio del 2003 por el IEEE Standards Board o draft standard preliminar presentado en diciembre de 2001; o ultimo draft v8.2

Utiliza la banda de 2.4 GHzo modulación OFDM y codificación PBCC

Compatible ‘hacia atrás con IEEE 802.11bo Pueden co-existir en la misma WLAN

Nuevas velocidades de transmisión suportadas:o 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 & 54 Mbps

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Ejemplo de parámetros físicos de un dispositivo real

DATA SHEET de un Cisco Aironet 802.11a/b/g CardBus WirelessLAN Client Adapter

Link: http://www.grc.upv.es/docencia/cosas/products_data_sheet09186a00801ebc29.html




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Arquitecturas disponibles

Independent Basic Service Set (IBSS)o Estructura descentralizadao Flexible:

Redes pequeñas y grandes, Redes transitorias y permanentes

o Control del consumo de potencia

infrastructure Basic Service Set (BSS)o Componentes:

Estación (STA)

Access Point (AP)o Point Coordinator (PC)

o Basic Service Set (BSS)o Extended Service Set (ESS)

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El MAC: entregas de datos fiable

CSMA/CA con binary exponential backoffEl protocolo mínimo consiste de dos tramas: los datos y el correspondiente ACK

Point CoordinationFunction (PCF)

Distributed Coordination Function (DCF)

MAC

Servicios sin contienda

Servicios con contienda

DIFS DIFS

PIFS

SIFS

ventana de contienda

defer access

busy medium

slot

Los 5 valores de timing:• Slot time• SIFS: short interframe space (< slot

time)• PIFS: PCF interframe space (=SIFS+1slot)• DIFS: DCF interframe space (=SIFS+2slots)• EIFS: extended interframe space

Los 5 valores de timing:• Slot time• SIFS: short interframe space (< slot

time)• PIFS: PCF interframe space (=SIFS+1slot)• DIFS: DCF interframe space (=SIFS+2slots)• EIFS: extended interframe space

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Estructura de las tramas

FrameControlFrame

ControlDuration /

IDDuration /

ID Addr. 1Addr. 1 Addr. 2Addr. 2 Addr. 3Addr. 3 Seq.ControlSeq.

Control Addr. 4Addr. 4 FCSFCS

2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4

• management (00)• control (01), • data (10), • reserved (11)

Tipos de direcciones:

• Source address (SA)

• Destination Address (DA)

• Transmitter Address (TA)

• Receiver Address (RA)

• BSS identifier (BSSID)

Tipos de direcciones:

• Source address (SA)

• Destination Address (DA)

• Transmitter Address (TA)

• Receiver Address (RA)

• BSS identifier (BSSID)

SADATARA11Wireless DS

-DASARA = BSSDI01To the AP

-SABSSDIRA = DA10From the AP

-BSSDISARA = DA00IBSS

Addr. 4Addr. 3Addr. 2Addr. 1From DS

To DS

Función

FrameBody

FrameBody

prot.vers

prot.vers typetype subtypesubtype To

DSToDS From

DSFromDS More

fragsMorefrags retryretry Power

mgtPower

mgt Moredata

Moredata WEPWEP orderorder

2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1 bits

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Addressing and DS bits

SADATARA11Wireless DS

-DASARA = BSSDI01To the AP

-SABSSDIRA = DA10From the AP

-BSSDISARA = DA00IBSS

Addr. 4Addr. 3Addr. 2Addr. 1FromDS

ToDS

Función

Server

DA

DSRA (BSSID)

SA/TA

ClientAP

Server

SAAP

AP

TA

Client

RA

DA

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Ejemplo de funcionamiento del DCF

Los intervalos de backoff son escogidos dentro de la congestion window . Es decir en el intervalo [0, CW]La CW puede variar entre 31 slots (CWmin) y 1023 slots (CWmax)CW se incrementa después de una transmisión fallida y se re-inicializa después de una transmisión con éxito

data

waitB1 = 5

B2 = 15

data

wait

B1 = 25

B2 = 20

B1 y B2 son intervalos de backoff en las STA 1 y 2CW = 31

B2 = 10

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Otro ejemplo

El transmisor utiliza CW = CWmin (15 slots) del 802.11a y ha seleccionado un random backoff time de 12 slots.

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Situaciones problemáticas

Exposed nodeHidden node

A

B

C

A

B C

D

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Obstacle Null

Opposite Side of AP

The received signals cancel one another resulting in a NULL signal

The obstacle prevents MU1 and MU2 from hearing one another

MU3 cannot hear MU1 or MU2 because of the distance

Hidden nodes

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High power station near the AP

Near-Far problem

The Near/Far problem is created when:o A station near the AP uses high power whileo A station located far from the AP uses Low power.o This results in corruption of the traffic from the far station.

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Mecanismo RTS/CTS

Se basa en el network allocation vector (NAV)

RTSDIFS

CTSSIFS

data

ACKSIFS SIFS

DIFS

NAV (RTS)NAV (CTS)

fuente

destino

otro STA

defer access

ventana de contienda

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PCF: Point Coordination Function

Data+Poll

DATA+ACKBeaconData+Poll

ACK

Station 2 sets NAV(Network Allocation Vector)

CF-End

PIFS SIFS SIFS SIFS SIFS

SIFS(no response)

PIFS

CP

PC

STA1

Contention Free Period CP

Data+Poll

SIFS

STA2 NAVReset

TimeSTA3 Station 3 is hidden to the PC, it does not set the NAV.It continues to operate in DCF.

• Los beacon se utilizan para mantener la sincronización de los timers en las estaciones y para enviar información de control

• El AP genera los beacon a intervalos regulares• Las estaciones saben cuando llegará el siguiente beacon

los target beacon transmission time (TBTT) son anunciados en el anterior beacon

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PCF: los superframe

Hay una alternancia de contention-free period (CFP) y contention period (CP)Un CFP y el siguiente CP forman un superframe.

Beacon

CF-PollCF-End

802.11 periodic Superframe

DATA DATA DATA

CFP(Contention Free Period) CP(Contention Period)

DATA DATA DATA

PC

STAs

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Servicios

La arquitectura IEEE 802.11 define 9 servicios: para la estación y para la distribuciónStation services:

o Authenticationo Deauthenticationo Privacy WEPo Data delivery

Distribution services:o Association genera una conexión entre STA y APo Disassociationo Reassociation como association pero informando del AP anterioro Distributiono integration conexión de la WLAN con otras LANs;

uso de un portal

Parecidos a conectar/desconectar el cable en una red tradicional

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Variables de estado y servicios

State 1:unauthenticated,

unassociated

State 1:unauthenticated,

unassociated

State 2:authenticated,unassociated

State 2:authenticated,unassociated

State 3:authenticated,

associated

State 3:authenticated,

associated

Disassociation notification

Successful authentication Deauthentication notification

Successful authenticationor reassociation

Class 1, 2 & 3 frames

Class 1 & 2 frames

Class 1frames

Deauthentication notification

En una IBSS no hay ni auth., ni ass. Se permite la implementación del data service

Una STA puede estar autenticada por varios AP pero asociada con solo un AP

Una STA puede estar autenticada por varios AP pero asociada con solo un AP

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Scanning

Parámetros: BSStype, BSSID, SSID, ScanType, ChannelList, ProbeDelay, Min/MaxChannelDelayScanType: Pasivo

o Las estaciones esperan beacons de los APsScanType: Activo

o Las estaciones envían probe requestsSe genera un scan reportLa fase siguiente es la fase de joining; esta fase precede la secuencia de acciones hasta llegar a la asociación

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BSSID y SSID

BSSID (Basic Service Set Identity)o BSS: dirección MAC del APo Ad-Hoc: numero random de 46 bit

SSID (Service Set ID)o Conocido como el Network Name por que básicamente es el nombre

que identifica la WLANo Longitud: 0~32 octetos

0: el broadcast SSID o Gestionado manualmente o de forma automáticao identificador único de 32 caractereso sirve para diferenciar las WLAN entre ellaso Los puntos de acceso y las estaciones que quieran conectarse a una

WLAN única tienen que utilizar el mismo SSID

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Ahorro de potencia

Los nodos que están en la modalidad de ahorro de energía (PS mode) apagan el dispositivo radio durante un cierto intervalo de tiempo

o La mayor parte de la potencia de la batería es utilizada por los circuitos de PHY RXel PHY puede ser apagado cuando no se este transmitiendo auque la estación sea activa

o En media la TX en una WLAN es activa menos del 2% del tiempoo los nodos transmisores tienen que bufferizar los frameso El aumento de la latencia causado por el PS puede ser controlado reduciendo los timeouts

en los protocolos de alto nivelFácil de implementar con PFC. No tan fácil en DCFLos AP generan beacons con un time-stamp y lo transmiten cada intervalo de beaconing (~100 ms)

o la transmisión del beacon es aplazada si el canal está ocupadao los nodos despiertan antes de que el intervalo de beaconing termina y permanecen

despiertos hasta que el beacon es totalmente recibidoo los timestap son utilizados para actualizar los timer locales

Los nodos son sincronizados para despertar al mismo tiempo cuando el transmisor anuncia frames buferizados

o los nodos que tienen que recibir frames están despiertos hasta que el frame es entregado

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El Extended Service Set (ESS)

BSSBSSAPAP

WLANWLAN LANLAN

No definido por el estándar como realizarloExiste una propuesta de un grupo de empresas:Inter-acces point protocol (IAPP)

Distribution System (DS)

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Task Group f

Scope of Project: to develop recommended practices for an Inter-Access Point Protocol (IAPP) which provides the necessary capabilities to achieve multi-vendor Access Point interoperability across a Distribution System supporting IEEE P802.11 Wireless LAN Links. Purpose of Project: ... including the concepts of Access Points and Distribution Systems. Implementation of these concepts where purposely not defined by P802.11 ... As 802.11 based systems have grown in popularity, this limitation has become an impediment to WLAN market growth. This project proposes to specify the necessary information that needs to be exchanged between Access Points to support the P802.11 DS functions. The information exchanges required will be specified for, one or more Distribution Systems; in a manner sufficient to enable the implementation of Distribution Systems containing Access Points from different vendors which adhere to the recommended practicesStatus: Work has been completed and is now part of the Standard as a recommended practice.

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Procedimiento de Handoff

Fase de ” reassociation”Cuatro mensajes IAPP

o IAPP Latency > 4 * RTTLos mensajes de ”Move Request” y de ”Move Response” utilizan TCP

STA New AP Old AP

Reassociation Request

Move Notify

Send Security Block

Ack Security Block

Move Response

IAPP Message

Reassociation Response

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Wireless Distribution System

IEEE 802.11, WDS meanso Multiple wireless “ports” inside the access-point, to wirelessly

interconnect cells (access-points connecting to other access-points)pre-IEEE 802.11, did not support WDS:

o Three ports exist in one access-point (one Ethernet, and two wireless cells)

o One wireless backbone extension can be made (using two radio modules in the access-point)

WDS allows:o Extending the existing infrastructure with wireless backbone linkso Totally wireless system without any wired backbones, needed in

locations where large areas are to be covered and wiring is not possible

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Wireless Distribution System

Channel 1

Channel 6

Channel 11

Channel 1

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WDS Wireless Distribution System

WDS, consiste en “puentear” dos redes cableadas para obtener conexión entre ellas, por ejemplo entre dos edificios de una misma empresa

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WDS Wireless Distribution System

Repeater: Consiste en un AP en modo WDS, que simplemente va a repetir las señales que capte de sus “compañeros” de bridge

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Operational processesTraffic flow - WDS operation

STA-1STA-1 STA-2STA-2BSS-A

BSS-B

Packet for STA-2

ACK

Packet for STA-2ACK

AP-1000 or AP-500AP-1000 or AP-500

Avaya Wireless PC-CardAvaya Wireless PC-Card

Association table

Bridge learn table

AP-1000 or AP-500AP-1000 or AP-500

Avaya Wireless PC-CardAvaya Wireless PC-Card

Association table

Bridge learn table

STA-1

STA-2 2

STA-1

STA-2

STA-1

2STA-

2

2

2

Wireless

Backbone

WDS Relay

WDS RelayPacket for STA-2

ACK

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Linksys Wireless-G Access Point

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Limitations of the MAC standard for QoS

DCF (Distributed Coordination Function)o Only support best-effort serviceso No guarantee in bandwidth, packet delay and jittero Throughput degradation in the heavy load

PCF (Point Coordination Function)o Inefficient and complex central polling schemeo Unpredictable beacon frame delay due to incompatible cooperation

between CP and CFP modeso Transmission time of the polled stations is unknown

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Overview of 802.11e

Task group e formed in Sep. 1999 and Approved in March 2000o Current version: IEEE P802.11e/D6.0, November 2003o Backwardly compatible with the DCF and PCF

New QoS mechanism: HCF (Hybrid Coordination Function)o Contention-based channel access

EDCA (Enhanced Distributed Channel Access)– was Enhanced Distributed Coordination Function (EDCF)

o Controlled channel access (includes polling)HCCA (HCF controlled channel access)

The station that operates as the central coordinator for all other stations within the same QoS supporting BSS (QBSS) is called thehybrid coordinator (HC).

o The HC reside inside an APA BSS that includes an 802.11e-compliant HC is referred to as a QBSS.

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Fundamental improvements

TXOP (Transmission Opportunity)o TXOP is an interval of time during which a backoff entity has the right to

deliver MSDUs. A TXOP is defined by its starting time and duration.An 802.11e station that obtains medium access must not utilize radio resources for a duration longer than a specified limit.

o Can be allocated via contention (EDCA-TXOP) or granted through HCF (polled-TXOP or HCCA-TXOP)

o The duration of an EDCA-TXOP is limited by a QBSS-wide parameter referred to as TXOP-limit which is distributed regularly by the HC within an information field of the beacon.

No station can transmit across a TBTTA station is allowed to transmit frames directly to another backoff entity in a QBSS, without involving communication with the AP

o using the direct link protocol (DLP)

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EDCF (Enhanced DCF)

Review of DCFo CSMA/CAo Transmit the frame directly if the medium is found idle for DIFS (DCF

InterFrame Space)o Otherwise, defer the transmission and start the backoff processo Backoff_time = rand[0, CW], CWmin < CW < CWmaxo The backoff timer decreases only when the medium become idle.o Transmit the frame once backoff timer expires

How to provide prioritieso Change the contention window size

newCW[TCi] = ((oldCW[TCi]) * PFi ) –1 PFi is the persistence factor

o Replace DIFS with AIFS (Arbitration InterFrame Space)AIFS[i] = DIFS + TCi

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EDCF

CSMA/CA and Exponential BackoffEight Traffic Categories (TCs) within one station

TC7

Backoff(AIFS)

TC6

Backoff(AIFS)

TC5

Backoff(AIFS)

TC4

Backoff(AIFS)

TC3

Backoff(AIFS)

TC2

Backoff(AIFS)

TC1

Backoff(AIFS)

TC0

Backoff(AIFS)

High priority Low priority

Scheduler(resolve virtual collisions by granting permission to highest priority)

TransmissionattemptAIFS:Arbitration Inter-Frame Space

Backoff(AIFS)

Transmissionattempt

DCF

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EDCA parameters for AC

4 access categories (AC), AIFS[AC] = SIFS + AIFSN[AC] * aSlotTime, AIFSN[AC] ≥ 2.

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EDCA and AC MappingIEEE802.11e

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HCF: Hybrid Coordination Function

During CFPo Poll STAs and give a station the permission to access channelo Starting time and maximum duration of each TXOP are specified by the

HCDuring CP

o Can use the EDCA ruleso HC can issue polled TXOPs in the CP by sending CF-Poll after a PIFS

idle periodo Controlled Contention

Allows STAs to request the allocation of polled TXOPsSTAs send resource request frames with the requested TC and TXOP durationHC sends an ACK for resource request to the STA

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HCF superframesIEEE802.11e

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PerformanceIEEE802.11e




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Wireless LAN (WLAN)

Wireless LAN Security Issues

IssueWireless sniffer can view all WLAN data packetsAnyone in AP coverage area can get on WLAN

802.11 WEP SolutionEncrypt all data transmitted between client and APWithout encryption key, user cannot transmit or receive data

Wired LAN

Goal: Make WLAN security equivalent to that of wired LANs (Wired Equivalent Privacy)

client access point (AP)

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WEP – Protection for 802.11b

Wired Equivalent Privacyo No worse than what you get with wire-based systems.

Criteria:o “Reasonably strong”o Self-synchronizing – stations often go in and out of coverageo Computationally efficient – in HW or SW since low MIPS CPUs might be

usedo Exportable – US export codes (relaxed in Jan 2000 / “Wassenaar

Arrangement”)o Optional – not required to used it

Objectives:o confidentialityo integrityo authentication

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WEP – How It Works

Secret key (40 bits or 104 bits)o can use up to 4 different keys

Initialization vector (24 bits, by IEEE std.)o total of 64 or 128 bits “of protection.”

RC4-based pseudo random number generator (PRNG)Integrity Check Value (ICV): CRC 32

IV(4 bytes)

Data (PDU)(≥ 1 byte)

Init Vector(3 bytes)

1 byte

Pad6 bits

Key ID2 bits

Frame header ICV(4 bytes) FCS

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WEP Encryption Process

1) Compute ICV using CRC-32 over plaintext msg.2) Concatenate ICV to plaintext message.3) Choose random IV and concat it to secret key and input it to RC4 to

produce pseudo random key sequence.4) Encrypt plaintext + ICV by doing bitwise XOR with key sequence to

produce ciphertext.5) Put IV in front of cipertext.

InitializationVector (IV)

Secret Key

Plaintext

Integrity Algorithm

Seed WEP PRNG

KeySequence

Integrity Check Value (ICV)

IV

CiphertextMessage

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WEP Decryption Process

1) IV of message used to generate key sequence, k.2) Ciphertext XOR k original plaintext + ICV.3) Verify by computing integrity check on plaintext (ICV’) and

comparing to recovered ICV.4) If ICV ≠ ICV’ then message is in error; send error to MAC

management and back to sending station.

IVCiphertext

Secret Key

Message

WEP PRNGSeed

KeySequence

Integrity Algorithm

Plaintext

ICV’

ICV

ICV’ - ICV

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WEP Station Authentication

Wireless Station (WS) sends Authentication Request to Access Point (AP).AP sends (random) challenge text T.WS sends challenge response (encrypted T).AP sends ACK/NACK.

WS APAuth. Req.

Challenge Text

Challenge Response

Ack

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WEP Weaknesses

Forgery Attacko Packet headers are unprotected, can fake src and dest addresses.o AP will then decrypt data to send to other destinations.o Can fake CRC-32 by flipping bits.

Replay o Can eavesdrop and record a session and play it back later.

Collision (24 bit IV; how/when does it change?)o Sequential: roll-over in < ½ day on a busy neto Random: After 5000 packets, > 50% of reuse.

Weak Keyo If ciphertext and plaintext are known, attacker can determine key.o Certain RC4 weak keys reveal too many bits. Can then determine RC4

base key.Well known attack described in Fluhrer/Mantin/Shamir papero “Weaknesses in the Key Scheduling Algorithm of RC4”, Scott Fluhrer,

Itsik Mantin, and Adi Shamiro using AirSnort: http://airsnort.shmoo.com/

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Ways to Improve Security with WEP

Use WEP(!)Change wireless network name from default

o any, 101, tsunamiTurn on closed group feature, if available in AP

o Turns off beacons, so you must know name of the wireless network

MAC access control table in APo Use Media Access Control

address of wireless LAN cards to control access

Use Radius support if available in APo Define user profiles based on

user name and password

War Driving in New Orleans (back in December 2001)

o EquipmentLaptop, wireless card, softwareGPS, booster antenna (optional)

o Results64 Wireless LAN’sOnly 8 had WEP Enabled (12%)62 AP’s & 2 Peer to Peer Networks25 Default (out of the box) Settings (39%)29 Used The Company Name For ESSID (45%)

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War Driving in New Orleans (back in December 2001)

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802.11i Task Group Recommendations

Mutual AuthenticationDynamic Session KeyMessage Integrity Check (MIC)Temporal Key Integrity Protocol (TKIP)

o Per-packet Key Hashingo Initialization Vector Sequencingo Rapid Re-Keying

Futureo Stronger encryption schemes such as AES

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101

Ways to increase data rate

Conventional single tx and rx radio systemso Increase transmit power

Subject to power amplifier and regulatory limitsIncreases interference to other devicesReduces battery life

o Use high gain directional antennasFixed direction(s) limit coverage to given sector(s)

o Use more frequency spectrumSubject to FCC / regulatory domain constraints

Advanced MIMO: Use multiple tx and / or rx radios!

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Conventional (SISO): Wireless Systems

Conventional “Single Input Single Output” (SISO) systems were favored for simplicity and low-cost but have some shortcomings:

o Outage occurs if antennas fall into nullSwitching between different antennas can help

o Energy is wasted by sending in all directionsCan cause additional interference to others

o Sensitive to interference from all directionso Output power limited by single power amplifier

channelRadioDSPBits

TXRadio DSP Bits

RX

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MIMO Wireless Systems

Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems with multiple parallel radios improve the following:

o Outages reduced by using information from multiple antennaso Transmit power can be increased via multiple power amplifierso Higher throughputs possibleo Transmit and receive interference limited by some techniques

channel

Radio

DSP

Bits

TX

Radio

Radio

DSP

Bits

RX

Radio

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MIMO Alternatives

There are two basic types of MIMO technology:

o Beamforming MIMOStandards-compatible techniques to improve the range of existing data rates using transmit and receive beamformingAlso reduces transmit interference and improves receive interference tolerance

o Spatial-multiplexing MIMOAllows even higher data rates by transmitting parallel data streams in the same frequency spectrumFundamentally changes the on-air format of signals

– Requires new standard (11n) for standards-based operation – Proprietary modes possible but cannot help legacy devices

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Beamforming MIMO Overview

Consists of two parts to make standard 802.11 signals “betterUses multiple transmit and/or receive radios to form coherent 802.11a/b/g compatible signals

o Receive beamforming / combining boosts reception of standard 802.11 signals

Phased array transmit beamforming to focus energy to each receiver

Radio

DSP

BitsRadio

RX

BitsTX

BitsRXRadio

DSP

BitsRadio

TX

Radio

Radio

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Benefits of Beamforming

Benefitso Power gain (applicable only to transmit beamforming)

Power from multiple PA’s simultaneously (up to regulatory limits)Relaxes PA requirements, increases total output power delivered

o Array gain: “dynamic high-gain antenna”o Interference reduction

Reduce co-channel inter-cell interferenceo Diversity gain: combats fading effectso Multipath mitigation

Per- subcarrier beamforming to reduce spectral nulls

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Multipath Mitigation

o Multiple transmit and receive radios allow compensation of notches on one channel by non-notches in the other

o Same performance gains with either multiple tx or rx radios and greater gains with both multiple tx and rx radios

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Spatial Multiplexing MIMO Concept

Spatial multiplexing concept:o Form multiple independent links (on same channel) between transmitter and

receiver to communicate at higher total data rates

Radio

Radio

DSP

DSP

BitSplit

BitsBit

Merge

TX

Radio

RadioRX

BitsDSP

DSP

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Spatial Multiplexing MIMO Difficulties


receiver to communicate at higher total data rateso However, there are cross-paths between antennas

Radio

Radio

DSP

DSP

BitSplit

BitsBit

Merge

TX

Radio

RadioRX

GarbageDSP

DSP

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Spatial Multiplexing MIMO Reality


receiver to communicate at higher total data rateso However, there are cross-paths between antennaso The correlation must be decoupled by digital signal processing algorithms

Radio

Radio

DSP

DSP

DSP

BitSplit

BitsBit

Merge

TX

Radio

Radio

Bits

RX

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Herramientas genéricas

Existen varias herramientas de red de propósito general, que suelen estar disponibles para la mayor parte de los sistemas operativos, y que permiten obtener información importante relativa a conectividad, direccionamiento IP, etc. Estas son:

o ipconfig / ifconfigo routeo ping / tracerouteo Ethereal (aplicación que no integra el S.O.)

Por otro lado están disponibles herramientas de red que sólo se aplican a las redes locales inalámbricas, como:

o Kismeto Airopeeko Network Stumbler

herramientas

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Ethereal

Herramienta de código abierto disponible para Linux y WindowsPermite capturar paquetes en modo promiscuo de cualquier

interface del sistemaOfrece una descripción muy detallada de cada paquete recibido, permitiendo visualizar las diferentes cabeceras de los protocolos utilizados y el contenido de los datos (¡peligroso!)Permite guardar los resultados del análisis en un fichero y

recuperarlos más tardePermite obtener estadísticas variadas

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Kismet

Kismet es una herramienta que opera con información del nivel MAC de 802.11. Puede funcionar como:

o Detector de redes inalámbricaso Sniffer (captura de paquetes en modo promiscuo)o Sistema de detección de intrusos

Además tiene otras características que lo hacen muy interesante como:

o compatibilidad con Ethereal y Airsnorto detección de rango IP de la redo Descubierta de puntos de acceso ocultos

Kismet viene con su propio programa de GPS que permiteinterpolación de valores, aunque no es muy exacto:

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Network Stumbler

Busca tramas de gestión 802.11 Permite guardar y exportar los datos en varios formatos distintosSoporta GPS y permite guardar información GPS juntamente con los demás datos

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El interface gráfico utilizado es muy intuitivo y permite variados tipos de análisis de forma sencilla y directa:

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007Network Stumbler

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Optimización: Beacons

Algunos puntos de acceso permiten ajustar el intervalo entre beacons consecutivos. Aumentar la tasa de generación de beacons ofrece como ventajas:

o Permitir que el escaneo por parte de los clientes sea más rápido y fiableo Permitir, además, que el roaming entre puntos de acceso se haga de

forma más rápida y eficiente.

Por otro lado, reducir la tasa de generación de beacons también tiene algunas ventajas:

o Los beacons consumen recursos del canal, reduciendo el ancho de banda disponible

o De forma indirecta, aumento las capacidades de ahorro de energía de los nodos móviles

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Optimización: Umbral de RTS/CTS

Si el entorno de trabajo es suficiente grande como para que existan varios terminales inalámbricos que no están al alcance uno del otro, pero comparten un mismo punto de acceso o terminal intermedio, habilitar la función de RTS/CTS puede mejorar las prestaciones si la congestión es elevada.En general, si la red no está congestionada, activar el RTS/CTS provocará una disminución del ancho de banda disponible.

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Optimización: Umbral de fragmentación

El 802.11 ofrece soporte a la fragmentación como solución para intentar reducir los efectos de las interferenciasEn entornos donde existe ruido electromagnético en forma de ráfagas, la fragmentación permite ajustar el nivel de robustez:Mayores valores para el umbral de fragmentación permite aumentar

el ancho de banda en general, pero reduce la robustez ante erroresMenores valores para este umbral reduce el ancho de banda

disponible en general, pero permite obtener mejores prestaciones si el entorno es ruidoso

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Optimización: Retry limits

La mayor parte de dispositivos inalámbricos permite ajustar los valores de los limites para reintento de transmisión.El “short retry limit” indica el numero de reintentos para tramas de

tamaño inferior al umbral de RTS/CTS.El “long retry limit” indica el numero de reintentos para tramas de

tamaño igual o superior al umbral de RTS/CTS.Si aumentamos estos valores, ofrecemos más fiabilidad a las estaciones que sufren de peores condiciones en términos de relación señal ruido. Por otra parte, a nivel global el efecto suele ser el de reducir el ancho de banda agregado de la red.Si disminuimos los valores logramos menor ocupación de buffers ypor veces mejor comportamiento por parte de TCP.

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Optimización: Ahorro de energía

La opción de ahorro de energía permite a las estaciones móviles desconectar sus dispositivos inalámbricos durante ciertos periodosSí estamos ante una red de infraestructura (típico) el punto de acceso deberá guardar en un buffer todos los paquetes destinadosa estaciones durmientes hasta que estas se despierten. Problemas:

o Si el numero de estaciones en modo de ahorro de energía es elevado, el punto de acceso puede sobrecargarse o restringir nuevas conexiones

o Para aplicaciones con requisitos de calidad de servicio, las interrupciones causadas por el modo de ahorro de energía pueden ser problemáticas

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Optimización: Potencia de la señal

Si un punto de acceso o dispositivo inalámbrico permite ajustar la potencia de la señal, esto permite obtener beneficios:

o Puedo aumentar de forma sencilla el área de cobertura de un punto de acceso

o Mayor potencia en la señal recibida implica mayor robustez ante errores, lo que reduce el numero de retransmisiones y aumenta el ancho debanda

o El 802.11 permite ajustar el bitrate según la calidad de la señal, por lo que puedo aumentar aún más el ancho de banda

Por otro lado también puede generar problemas:o Aumento la interferencia con puntos de acceso / terminales cercanos

que operan en el mismo canal, pudiendo reducir el ancho de bandaagregado de la red

o Facilito la detección de los puntos de acceso por entidades exterioreso Reduzco el tiempo de vida de los dispositivos con batería

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Redes WPAN: Bluetooth

Foo Chun Choong, Ericsson Research / Cyberlab Singapore, and Open Source Software Lab, ECE Dept, NUS.

agradecimientos/acknowledgments

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Bluetooth Specifications

Bluetooth is a system solution comprising hardware, software andinteroperability requirements. The Bluetooth specifications specify the complete system.De facto standard - open specifications.Two part document - Volume 1:Core and Volume 2:Profiles.Bluetooth specs developed by Bluetooth SIG.

o February 1998: The Bluetooth SIG is formedpromoter company group: Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba

o May 1998: The Bluetooth SIG goes “public”o July 1999: 1.0A spec (>1,500 pages) is publishedo December 1999: ver. 1.0B is releasedo December 1999: The promoter group increases to 9

3Com, Lucent, Microsoft, Motorolao February 2000: There are 1,500+ adopters

0.7 ---> 0.9 ---> 1.0A ---> 1.0B ---> 1.1 --> November 2003: release 1.2Currently (November 2004), release 2.0

o (aka EDR or Extended Data Rate) triples the data rate up to about 2 Mb/s

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release 2.0: the new partitioning

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Bluetooth usage

Low-cost, low-power, short range radio a cable replacement technology

o Common (File transfer, synchronisation, internet bridge, conference table)

o Hidden computing (background synchronisation, audio/video player)o Future (PC login, remote control)

Why not use Wireless LANs?o powero cost

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Bluetooth RF

1 Mb/s symbol rateNormal range 10m (0dBm)Optional range 100m (+20dBm)Normal transmission power 0dBm (1mW)Optional transmission power -30 to +20dBm (100mW)Receiver sensitivity -70dBmFrequency band 2.4Ghz ISM bandGross data rate 1Mbit/sMax data transfer 721+56kbps/3 voice channelsPower consumption 30uA(max), 300uA(standby), ~50uA(hold/park)Packet switching protocol based on frequency hop scheme with 1600 hops/s

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Bluetooth Power Class Table

30m10m0dBm1mWClass 3

50m16m4dBm2.5mWClass 2

300m42m20dBm100mWClass 1

Range inFree SpaceExpected RangeMax Output PowerMax Output PowerPower Class

Bluetooth Power Class Table

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Bluetooth Network Topology

Bluetooth devices have the ability to work as a slave or a master in an ad hoc network. The types of network configurations for Bluetooth devices can be three.

o Single point-to-point (Piconet): In this topology the network consists of one master and one slave device.

o Multipoint (Piconet): Such a topology combines one master device and up to seven slave devices in an ad hoc network.

o Scatternet: A Scatternet is a group of Piconets linked via a slave device in one Piconet which plays master role in other Piconet.

M

S

i) Piconet (Point-to-Point)

M

SS

S

S

ii) Piconet (Multipoint)

M

S S S

M

S S

Master/Slave

iii) Scatternet

The Bluetooth standard does not describe any routing protocol for scatternets and most of the hardware available today has no capability of forming scatternets. Some even lack the ability to communicate between slaves of one piconet or to be a member of two piconets at the same time.

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Bluetooth Protocol Stack

Composed of protocols to allow Bluetooth devices to locate each other and to create, configure and manage both physical and logical links that allow higher layer protocols and applications to pass data through these transport protocols

RFBaseband

AudioLink ManagerL2CAP

Data

SDP RFCOMMIP

Cont

rol

Applications

Transport Protocol Group

Source: Farinaz Edalat, Ganesh Gopal, Saswat Misra, Deepti Rao

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Transport Protocol Group (contd.)

Radio Frequency (RF)o Sending and receiving modulated

bit streamsBaseband

o Defines the timing, framingo Flow control on the link.

Link Manager o Managing the connection states.o Enforcing Fairness among

slaves.o Power Management

Logical Link Control & Adaptation Protocol

o Handles multiplexing of higher level protocols

o Segmentation & reassembly of large packets

o Device discovery & QoS

The Radio, Baseband and Link Manager are on firmware. The higher layers could be in software. The interface is then through the Host Controller (firmware and driver). The HCI interfaces defined for Bluetooth are UART, RS232 and USB.

Source: Farinaz Edalat, Ganesh Gopal, Saswat Misra, Deepti RaoBLUETOOTH SPECIFICATION, Core Version 1.1 page 543

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Middleware Protocol Group

RFBaseband


Data

SDP RFCOMMIP

Cont

rol

Applications

Middleware Protocol Group

Additional transport protocols to allow existing and new applications to operate over Bluetooth. Packet based telephony control signaling protocol also present. Also includes Service Discovery Protocol.


Service Discovery Protocol (SDP)Means for applications to discover device info,

services and its characteristics.

TCP/IPNetwork Protocols for packet data

communication, routing

RFCOMMCable replacement protocol, emulation of serial

ports over wireless network

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Application Group

Application Group

RFBaseband


Data

SDP RFCOMMIP

Cont

rol

Applications

Consists of Bluetooth aware as well as un-aware applications.


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Bluetooth stack: short version

RFBaseband

Link Manager

L2CAP

SDPRFCOMM

Applications

HCI

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End to End Overview of Lower Software Layers to Transfer Data

BLUETOOTH SPECIFICATION, Core Version 1.1 page 544

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Time-Division Duplex Scheme

Bluetooth devices use a Time-Division Duplex (TDD) scheme Channel is divided into consecutive slots (each 625 µs) One packet can be transmitted per slotSubsequent slots are alternatively used for transmitting and receiving

o Strict alternation of slots b/t the master and the slaveso Master can send packets to a slave only in EVEN slotso Slave can send packets to the master only in the ODD slots


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Frequency Hop Spread-Spectrum

Bluetooth channel is represented by a pseudo random hopping sequence through the entire 79 RF frequenciesNominal hop rate of 1600 hops per secondChannel Spacing is 1 MHz


232.471-2.497Japan232.4465-2.4835France232.445-2.475Spain792.400-2.4835 Europe792.400-2.4835 USA

Bluetooth Channels

Frequency Band (GHz)

Area

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Physical Link Definition

Synchronous Connection-Oriented (SCO) Linko circuit switchingo symmetric, synchronous serviceso slot reservation at fixed intervals

Asynchronous Connection-Less (ACL) Linko packet switchingo (a)symmetric, o asynchronous serviceso polling access scheme

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Packet type Name Symmetric (kbps)

Asymmetric (kbps)

1 slot + FEC DM1 108.8 108.8 108.8

1 slot DH1 172.8 172.8 172.8

3 slot + FEC DM3 256.0 384.0 54.4

3 slot DH3 384.0 576.0 86.4

5 slot + FEC DM5 286.7 477.8 36.3

5 slot DH5 432.6 721.0 57.6

ACL data rates

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Single slot

Three slot

Five slot

fn fn+1 fn+2 fn+3 fn+4 fn+5

Multi-slot packets

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fn fn+1 fn+2 fn+3 fn+4 fn+5 fn+6 fn+7 fn+8 fn+9 fn+10 fn+11 fn+12

Master

Slave

Symmetric single slot

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MASTER

SLAVE 1

SLAVE 2

SLAVE 3

ACL ACLSCO SCO SCO SCO ACLACL

Mixed Link Example

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Polling on ACL links

Slave is allowed to send only after it has been polled.Master polls slave at least Npoll slots (negotiated).Master may send at will.Polling algorithm is proprietary.

time

Master

Slave

Data

Data

POLL

Slot

TDD frame

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Bluetooth Connection States

There are four Connection states on Bluetooth Radio:Active: Both master and slave participate actively on the channel by transmitting or receiving the packets (A,B,E,F,H)Sniff: In this mode slave rather than listening on every slot for master's message for that slave, sniffs on specified time slots for its messages. Hence the slave can go to sleep in the free slots thus saving power (C) Hold: In this mode, a device can temporarily not support ACL packets and go to low power sleep mode to make the channel available for things like paging, scanning etc (G)Park: Slave stays synchronized but not participating in the Piconet, then the device is given a Parking Member Address (PMA) and it loses its Active Member Address (AMA) (D,I)

E

A

G

H

C

D

I

H

C

B

F

Master

Bluetooth Connection States

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Bluetooth Forming a Piconet

Inquiry: Inquiry is used to find the identity of the Bluetooth devices in the close range. Inquiry Scan: In this state, devices are listening for inquiries from other devices.Inquiry Response: The slave responds with a packet that contains the slave's device access code, native clock and some other slave information.Page: Master sends page messages by transmitting slave's device access code (DAC) in different hop channels.Page Scan: The slave listens at a single hop frequency (derived from its page hopping sequence) in this scan window.Slave Response: Slave responds to master's page messageMaster Response: Master reaches this substate after it receives slave's response to its page message for it.

Master

Inquiry

Inquiry Scan

Inquiry Response

Page

Page Scan

Slave Response

Master Response

ConnectionConnection

Slave

3

2

4

1

5

7

6

Forming a Piconet Procedures

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Connection State Machine

Standby

Inquiry Page

Connected

Transmit data

Park Hold Sniff


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SDP - Service Discovery

Focuso Service discovery within Bluetooth environmento Optimized for dynamic nature of Bluetootho Services offered by or through Bluetooth devices

Some Bluetooth SDP Requirements (partial list)o Search for services based upon service attributes and service classeso Browse for services without a priori knowledge of serviceso Suitable for use on limited-complexity deviceso Enable caching of service information

How it works?o Establish L2CAP connection to remote deviceo Query for services

Search for specific class of service, orBrowse for services

o Retrieve attributes that detail how to connect to the serviceo Establish a separate (non-SDP) connection to use the service

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Payload

16 16 0 - 65,535 bits

DCIDLength

Payload

72 54 bits

HeaderAccess Code

Payload Header CRCBaseband

L2CAP

L2CAP packet format

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Packet Structure

Control packets Data/voice packets

Voicedata

HV1HV2HV3DV

(136 bits) DM1DM3DM5

DH1DH3DH5 (2712 bits)

ID*NullPollFHSDM1


DataHeader CRC

•ARQ•CRC•FEC (optional)

72 bits 54 bits 0 - 2745 bits

Access Code Header Payload Guard

•No retries •No CRC•FEC (optional)

220µs

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Resultados: Prueba de Interferencia

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Resultados: Tiempo de Inquiry

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Resultados: Comparación throughput

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Interoperability & Profiles

Profiles

Pro

toco

ls

ApplicationsRepresents default solution for a usage modelVertical slice through the protocol stackBasis for interoperability and logo requirementsEach Bluetooth device supports one or more profiles

Source: Dr. Chatschik Bisdikian [BT_OVERVIEW_UNIVMARYLAND_03_2001.PPT]

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Bluetooth 1.0 - Usage Models

Internet Bridgeo Dial-up Networking & Fax capabilitieso Notebook or desktop computer as data terminalo Mobile phone or cordless modem as modem

Headseto Wireless audio capabilityo Headset as audio input and output deviceo Mobile Phone as audio gateway

Cordless Phone & Intercomo Cordless phone - connection to PSTN at home or the office

incurring a fixed line charge. calls via a voice basestation

o Intercom - connection directly to other phones

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Bluetooth 1.0 - Usage Models (cont.)

File Transfer & Object Exchangeo Transfer data objects from one device to another.

Generic object types, e.g., xls, ppt, wav, jpg, doc, entire folders, …Possibility to browse the contents of the folders on a remote device.

o Simple push and exchange operations, e.g., business card exchangeSynchronization

o Sync of PIM data - typically phonebooks, calendars, messages, and notes

LAN Accesso Multiple data terminals use a LAN access point as a wireless connection

to a LANo DTs operate as connected to the LAN via dialup networking.

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Next Steps of Bluetooth

Bluetooth in and around the CarBluetooth “Spontaneous” NetworkingStill ImagingBluetooth Printing Native support for richer audio/voice/videoBluetooth Human Interface Device (HID)

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Bluetooth Profiles

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Bluetooth Modules – Free2Move

Bluetooth modules add the components needed to make a working radio: crystal, antenna, flash memory. The current generation ofmodules measure about 1”x0.5” w/ antenna.

Free2Move (Sweden) has some particularly interesting modules based on CSR BlueCore2-flash chips with audio.

This radio offers a functioning SPP forserial data, a 15-bit audio channel,and another 8-bit A/D channel.

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More Bluetooth Hardware

Cambridge Scientific Radio (CSR) chips (in most peripherals)BlueCore2 chip Bluetooth v1.1, 16-bit XAP2 processor, A/D, audio optionsBlueCore3 chip Bluetooth v1.1-1.2, XAP2 processor, audio DSP optionBlueCore4 chip Bluetooth V2.0, XAP2 processor

AT&T Broadcom chips (in many PC + PDAs)BCM2040 Bluetooth v1.1-1.2, 8-bit 8051 processorBCM2037 Bluetooth v2.0 with audio, 16-bit ARM7 processorBCM2045 Bluetooth v2.0 host side chip

Class 2 Modules (with antenna)Free2Move FM03AC2 Bluetooth v1.1 qualified, SPP, 15-bit audio + 8 bit A/DTaiyo Yuden EYMF2CAMM-XX Bluetooth v1.1 qualified, serial port profileBlueGiga WT12 Bluetooth v2.0 EDR qualified, serial port profile + PCM

Class 1 Modules (no antenna)Free2Move FM2M03C1 Bluetooth v1.1 qualified, SPP, 15-bit audio + 8 bit A/DBlueGiga Wrap Thor 2022 Bluetooth v1.1 qualified, SPP, DUN, OBEX, HID

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Otras tecnologías

HomeRFo HomeRF-Lite Philips RF-Lite Program Firefly

Zigbee

Cypress WirelessUSB



Otros estándares IEEE 802

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IEEE 802 Working Group

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IEEE 802.15 Working Group for WPAN

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IEEE 802.15 - General

Wireless Personal Area Networks (WPANs)o Short Rangeo Low Powero Low Costo Small Networks

Communication within a persons operating spaceOutline:

o IEEE 802.15.1 – ”Bluetooth”o IEEE 802.15.3 – High data rate WPANo IEEE 802.15.4 – Low data rate WPAN

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IEEE 802.15.2

IEEE 802.15.2o Coexistence between

802.15 and 802.11o Predefined traffic

management rules for coexistence

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Broadband Wireless Access (BWA)

What is a BWA?o High speed connectiono Uses radio waves o Point to multipoint system

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Broadband Access to Buildings

The “Last Mile”o Fast local connection to network

Business and residential customers want ito Datao Voiceo Video distributiono Real-time videoconferencingo etc.

High-capacity cable/fiber to every user is expensiveo Construction costs do not follow Moore’s Law

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Residentialcustomer

repeater SMEcustomer

Multi-tenantcustomers

SOHOcustomer

Basestation

Basestation

Corenetwork

Source: Nokia Networks

WirelessMAN: Wireless Metropolitan Area Network

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Properties of IEEE Standard 802.16

Broad bandwidtho Up to 134 Mbit/s in 28 MHz channel (in 10-66 GHz air interface)

Supports multiple services simultaneously with full QoSo Efficiently transport IPv4, IPv6, ATM, Ethernet, etc.

Bandwidth on demand (frame by frame)MAC designed for efficient used of spectrumComprehensive, modern, and extensible securitySupports multiple frequency allocations from 2-66 GHz

o ODFM and OFDMA for non-line-of-sight applicationsLink adaptation: Adaptive modulation and coding

o Subscriber by subscriber, burst by burst, uplink and downlinkPoint-to-multipoint topology, with mesh extensionsSupport for adaptive antennas and space-time codingExtensions to mobility are coming next.

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WiMAX Forum

WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Accesso It is a non-profit organization o It was formed in 2003 o It has more than 110 members such as Alcatel, AT&T, Intel, Nortel,

Motorola, SBC, Siemens, and so forth..

Mission: To promote deployment of BWA by using a global standardand certifying interoperability of products and technologies.Principles:

o Support IEEE 802.16 above 11 GHzo Propose access profiles for the IEEE 802.16 standardo Guarantee known interoperability levelo Promote IEEE 802.16 standard to achieve global acceptanceo Open for everyone to participate

Developing & submitting baseline test specs

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WiMAXTechnology

Worldwide Interoperability of Microwave Access (WiMAX)It will provide fixed, nomadic, portable and, eventually, mobilewireless broadband connectivity. connectivity at rates of up to 75 Mb/sec WiMAX 10-66 GHz technical working group

o two MAC system profile o two primary PHY system profile

WiMAX 2-11 GHz technical working group o defining MAC and PHY system profile for IEEE 802.16e and HiperMAN

standards.

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What is WiMAX, 802.16d and e

A specification of 915 pages accepted in 2004. A member of the IEEE802 family of specifications.IEEE802.16-2004 include P2P, P2MP and mesh access networks2-11GHz NLOS 10-66 GHz LOSDuring 2005 IEEE 802.16e includes mobility.During 2005 MIB standardized as wellIEEE802.16 is supported by the industry group WiMAXIEEE802.11 is supported by the industry group WiFi

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WiMAX vs. 3G, pros and cons

Costo Lower equipment cost for WiMAX due to certified products (compare with WiFi)o WiMAX require new infrastructure while HSPA rides on UMTS

Coverageo Roughly the same coverage (average ~5 km)

Performanceo Roughly the same performance (average ~2 Mb/s per user)

Market windowo HSDPA launches in 2006 while HSUPA will come in 2008?o WiMAX standard set end of 2005 -> first products in 2007

Acceptanceo HSPA has a higher acceptance with mobile operator

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IEEE Standard 802.16: Tutorial

IEEE Communications Magazine, June 2002(available on 802.16 web site)

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IEEE 802.20 MBWAan overview

MBWA Working Group was approved on the 11th of December 2002 To prepare a formal specification for a packed-based air interface designed for IP-based services with peak data rates per user in excess of 1 Mbps Will address MBWA in licensed bands below 3.5 GHz MBWA Could provide commuters with reliable high-speed wireless voice and data links from trains and cars travelling at up to 250km/h (155miles/h).

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The vision of the IEEE 802.20

WorkDomain

HomeDomain

SeamlessSeamlessUbiquitousUbiquitousExperienceExperience

MobileDomain

Portable Remote Access Services

Field Service Apps

Hotel/Motel

Portable ServicesMobile Commerce

Services

Mobile Office (Voice and Data Apps)

High BW Connectivity

Video Streaming -Conferencing Apps

PortableOffice

Reservations-Listings Directions Services Video Streaming -

Conferencing Apps

Video Streaming -Conferencing Apps

Mobile BroadbandWireless Access

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.16 and .20 comparison

IEEE 802.20 and IEEE 802.16e standards seem very similar.But

802.16e 802.20

It is the extension of an existingstandard

It operates in the 2 to11 GHz licensed spectrum

It is starting from scratch

It operates in the licensed band below 3.5 GHz

Speeds of 75 to 93 miles/h Speeds of 155 miles/ h

there are some important differences !!!

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Wireless Broadband Access Technology

IEEE 802.15 Bluetooth

WAN

MAN

LAN

PAN ETSI HiperPAN

IEEE 802.11/11a/11b/11g

Wireless LAN

ETSI HiperLAN

IEEE 802.16/16a/16e Wireless MAN

ETSI HiperMAN & HIPERACCESS

IEEE 802.20(proposed)

3GPP, EDGE (GSM)

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802.21

Approved as a full IEEE WG Feb 27thHas been meeting as an ECSG for 1 yearInitial charter to study handover between

o 802.x 802.x (where handover not supported)o 802.x 802.y (where x may not equal y)o 802.x Non 802 (e.g. cellular)

Now has approved PAR (Project Authorization Request) for ‘Media Independent Handover Services’Motivations:

o Multi-Interfaced Deviceso Session maintenance

Across heterogeneous media

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Relevant Elements in Network

Mobile Device

802.x 802.y

y=x | y!=x

One or more802 interfaces

AP802.x

AP802.x

AP802.x

AP802.y

AR

L3 Network

AR AR

AP802.y

Potential links

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IEEE 802.22

RAN “Regional Area Network”

IEEE Standards

40 km

54 - 862 MHz

Multipath absorption Window

(Cyclic prefix )0.25

2.2 µsec

0.8

25 µsec

18 MbpsBW= 6,7,8 MHz

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IEEE 802.22Project Authorization Request (PAR)

Wireless Regional Area Networks (WRAN)802.22 is to define:

o MAC: Cognitive Wireless RAN Medium Access Controlo PHY: Physical Layer specificationso Policies and procedures for operation in the TV Bands

“This standard specifies the air interface, including the mediumaccess control layer (MAC) and physical layer (PHY), of fixed point-to-multipoint wireless regional area networks operating in the VHF/UHF TV broadcast bands between 54 MHz and 862 MHz.”

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IEEE 802.22Project Authorization Request (PAR)

Purpose: “This standard is intended to enable deployment of interoperable 802 multivendor wireless regional area network products, to facilitate competition in broadband access by providing alternatives to wireline broadband access and extending the deployability of such systems into diverse geographic areas, including sparsely populated rural areas, while preventing harmful interference to incumbent licensed services in the TV broadcast bands.”Reason: “There is a large, untapped market for broadband wireless access in rural and other unserved/underserved areas where wired infrastructure cannot be economically deployed. Products based on this standard will be able to serve those markets, taking advantage of the favorable propagation characteristics in the VHF and low UHF TV bands and increase the efficiency of spectrum utilization in spectrum currently allocated to, but unused by, the TV broadcastservice.”

Date post:	26-Sep-2018
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o Conceptos básicos o Modelos de propagación Gran … · 2017-10-04 · oDepende de la distancia...

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