Der IEEE 802.11 Standard für drahtlose lokale Netze Dr. Hannes Hartenstein NEC Europe Ltd.,...

Der IEEE 802.11 Standard fürdrahtlose lokale Netze

Dr. Hannes Hartenstein

NEC Europe Ltd., Heidelberg

Sommersemester 2001,

Universität Mannheim

May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11 2

Bibliographie

• J. Schiller: Mobilkommunikation, Addison-Wesley, 2000. Viele Abbildungen sind diesem Buch entnommen!

• Bob O’Hara, Al Petrick: IEEE 802.11 Handbook - A Designer’s Companion, IEEE Press, 1999

• LAN/MAN Standard Committee of the IEEE Computer Society, IEEE Standard for Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, IEEE Standard, Jun. 1997.


IEEE

• Institute of Eletrical and Electronics Engineers, Inc.

• World’s largest technical society– >300000 member in over 150 countries.

• Founded in 1884.• Mission statement:

The IEEE promotes the development of electrotechnology and allied sciences, the application of those technologies for the benefit of humanity, the advancement of the profession, and the well-being of its member.


IEEE 802 LAN/MAN Standards

• IEEE Projekt 802: erstes Meeting im Februar 1980 ‘802’.

• Local Area Networks und Metropolitan Area Networks Standards.

• 802.3: CSMA/CD +PHY; “Ethernet”.• 802.4: Token Bus.• 802.5: Token Ring.• 802.6: Distributed Queue Dual Bus (MAN).


IEEE 802 Architektur

• 802.2: Logical Link Control verbirgt die Unterschiede zwischen den verschiedenen 802 MACs.

• 3 Dienstoptionen: ‘best effort’, ‘acknowledged’, ‘reliable connection-oriented’

aus: Tanenbaum,Computer Networks


802.11 Design Ziele

Drahtloses lokales Netz mit

• ‘Look and feel’ wie 802.3.• Unter derselben LLC.

• Mobilitäts-Unterstützung.

“Etherneton Air”


Unterschiede ‘drahtlos’-‘leitungsgebunden’

• ‘Horseless carriage’• Signalausbreitung: alles in der Umgebung ist

entweder Reflektor oder Dämpfer des Signals.

• Jeder kann ‘mithören’; Sicherheit schwieriger zu erreichen.

Daten nicht in einem abgeschlossen Medium!

• Mobilität.


Ray-Tracing Studie

“Medium Variations” © IEEE


Struktur der Vorlesung (1)

• Vorbemerkungen– IEEE, IEEE 802, 802.11 Design Ziele,

Unterschiede ‘Drahtlos’-’Leitungsgebunden’

• 802.11 Systemarchitektur• 802.11 Protokollarchitektur

• 802.11 Physical Layer– Übersicht– DSSS– etc.


Struktur der Vorlesung (2)

• MAC Schicht

• Sicherheit

• Roaming


IEEE 802.11 Systemarchitektur (1)

Komponenten, Dienste

... Nomenklatur!

• Stations: enthalten PHY und MAC Schicht, d.h. funktechnische Funktionen und Mechanismen fuer den Medienzugriff. ‘Station’ kann mobil, portabel, stationär sein.

‘Station’: NIC, network adapter.

Dienste: (De-) Authentication, privacy, data delivery.



• Independent Basic Service Set (IBSS):

Menge mobiler ‘stations’, die direkt miteinander kommunizieren koennen, ohne Verbindung zu einem verkabelten Netz.

BSS2

BSS1

STA1

STA4

STA5

STA2

STA3



• Stations besitzen i.A. keine ‘forwarding’ Funktionalität!

• Also: IBSS erlaubt nur 1-hop Kommunikation (1-hop ad-hoc).

• Wie kann Kommunikation zwischen ‘stations’ ermoeglicht werden, die nicht direkt miteinander kommunizieren koennen?



• IEEE 802.11 definiert dafür access points, distribution system, portals und distribution services.

Distribution System

Portal

802.x LAN802.11 LAN

BSS1

Access Point

STA1

Access Point

802.11 LAN

BSS2

STA2 STA3

ESS



• Access point: eine station, die distribution services anbietet.

• Ein distribution system verbindet APs miteinander.

• Distribution services:– association– reassociation– disassociation– distribution– integration



Distribution services

• Association service:

Aufsetzen eine logischen Verbindung zwischen mobiler station und access point.

• Reassociation service:

wie ‘association service’, beinhaltet aber auch Information über vorherigen AP.

• Disassociation service: ‘tear down’.



Distribution Services

• Distribution service:

Ein AP benutzt den distribution service, um zu entscheiden, wohin ein empfangener Rahmen geschickt werden soll:– an eine ‘associated mobile station’– an einen anderen AP im DS– an ein Portal ...



Distribution Services

• Integration service:

Der Integration service verbindet ein IEEE 802.11 WLAN mit anderen LANs.

Ein portal führt den IS aus.



Infrastructure Basic Service Set

• Kommunikation immer ueber den AP.

• Erweiterte Kommunikations-moeglichkeiten, aber

• Frames werden jeweils 2x gesendet.

Access Point

802.11 LAN

BSS

STA1 STA2



Extended Service Set:

Menge von Infrastructure BSSs, die durch ein DS miteinander verbunden sind.

Distribution System

802.11 LAN

BSS1

Access Point

STA1

Access Point

802.11 LAN

BSS2

STA2 STA3

ESS


Systemarchitektur: Uebersicht

Komponenten:• station• access point• portal• distribution system• independent basic

service set• infrastructure basic

service set• extended service set

Dienste:• station services:

– authentication– deauthentication– privacy– data delivery

• distribution services:– association– reassociation– disassociation– distribution– integration


Systemarchitektur: Diskussion

• Was stellt 802.11 zur Verfügung, was nicht?– Independent BSS: direkte Kommunikation.– Ansonsten: 1-hop wireless ... DS service ... 1-hop

wireless.

• Nicht: wireless Multihop.


IEEE 802.11 Protokollarchitektur (1)

PMDPhysical Medium Dependent

PLCPPhysical Layer

Convergence Protocol

MACMedium Access Control

LLCLogical Link Control

MAC Management

PHY Management

PH

YM

AC

Sta

tion

Man

agem

ent

MAC_SAP

PHY_SAP

PMD_SAP



• MAC– Dienste: Datendienst, Sicherheitsdienst– Funktionen: Medienzugriff, Fragmentierung,

Verschlüsselung.

• MAC Management– Authentifizierung– Assoziierung– Energiesparmechanismus (power management)– Synchronisierung– Roaming – MIB



• PLCP (Physical Layer Convergence Protocol)– Clear Channel Assessment

• PMD (Physical Medium Dependent)– Codierung/Decodierung, Modulation

• PHY Management– PHY MIB, Kanalwahl (?)

• Station management


PHY Optionen

• 802.11: 3 Optionen, jeweils 1 und 2 Mbits– Frequency Hopping Spread Spectrum (2.4GHz)– Direct Sequence Spread Spectrum (2.4GHz)– Infrared (850-950nm)

• 802.11a: 6-54 Mbits– Orthogonal Frequency Division Multiplexing,

(5GHz)

• 802.11b: 5.5 und 11 Mbits– High Rate DSSS


PHY: Warum 2.4 bzw 5 GHz?

• 2.4 GHz: Unlizensiertes ISM Band: ‘Industrial, Scientific, Medical’. Einige Regelungen müssen berücksichtigt werden.

• Nachteil: keine exclusive Nutzung (z.B. Mikrowellen-Herde arbeiten auf 2.4 GHz)

• 5 GHz: Hiperlan (Europa), UNII (USA).

1 Mm300 Hz

10 km30 kHz

100 m3 MHz

1 m300 MHz

10 mm30 GHz

100 m3 THz

1 m300 THz

VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Infrarot UV

UNNI: Unlicensed National Information Infrastructure


DSSS PHY (1)

• DSSS-PLCP Rahmen:– Sync.: Folge von 1s, zur Detektion, Synchronisation– Start of Frame Delimiter– Signal: zeigt an, welches Modulationsverfahren verwendet

wurde– Länge: Anzahl Mikrosekunden, die zur Übertragung benötigt

werden– Header Error Check: ITU-T-CRC-16

Synchronisation SFD Signal Dienst HEC Nutzlast

PLCP-Präambel@ 1Mbps

PLCP-Paketkopf@ 1Mbps

128 16 8 8 16 variabel Bits

Länge

16

PPDU

MPDU


PPDU Scrambler [Spread]Modulo-2

Adder

TransmitMaskFilter

DBPSKDQPSK

Modulator

11-bit Barker Word

Transmit DSSS PMD

DSSS PHY (2)

• Scrambler: zur Vermeidung von ‘Gleichstromanteilen’, d.h. ‘runs of 1s or 0s’

• Barker Word: (+1,-1,+1,+1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,-1)• Differential Binary Shift Keying fuer 1 Mbps• Differential Quadrature Shift Keying fuer 2 Mbps


DSSS PHY (3)

• Warum Spread Spectrum?– weniger Interferenz

– Robustheit gegenüber Störungen und Rauschen

– Robustheit bzgl. ‘time delay spread’

1 0scrambling

wegenRedundanz


DSSS PHY (4)

• Mehrwege-Ausbreitung führt zu Laufzeitdispersion (delay spread)

802.11

WLAN Radio

Transmitter

802.11

WLAN Radio

Receiver

Home < 50 nsecOffice ~ 100 nsecManufacturing floor 200-300 nsec


NEC-J @ Cebit 2001: Radioscape


Modulation Rate Change

• Bessere Modulationsverfahren verlangen höheren Signal-zu-Rausch Abstand!

• Z.B. wenn Rahmen verloren geht, wird die Modulationsrate gesenkt.

Q

I01

Q

I

11

01

10

00


Channels

Source:IEEE Tutorial

fc - 11 MHz

fc - 22 MHz


PHY Zusammenfassung

• IEEE 802.11 benutzt unlizensierte Frequenz-bänder– Vorteil: kostengünstig (entspricht ‘Ethernet’ Idee).– Nachteil: Störungen durch andere ‘Teilnehmer’.

• Deshalb: ‘spread spectrum’ wg. Robustheit und guten Eigenschaften bei Mehrwegeausbreitung (wichtig in Räumen).

• Verschiedene Modulationsarten erlauben verschiedene Datenraten; bessere Datenraten verlangen aber besseres SNR!


Tutorien ...

http://www.manta.ieee.org/groups/802/11/

http://www.hpl.hp.com/personal/

Jean_Tourrilhes/Linux/Wireless.html

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