Mobilkommunikationsnetze - IEEE 802.11 · Nach IEEE 802.11-2012, Abbildung 8-2 (alle Längen in Bits) Mobilkommunikationsnetze Vorlesung 27 Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Mitschele-Thiel

Mobilkommunikationsnetze

Vorlesung

1

Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Mitschele-Thiel

Fachgebiet Integrierte Kommunikationssysteme

www.tu-ilmenau.de/iks


- IEEE 802.11 -

Vorlesung

Markus Brückner


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Einführung

• drahtlose Datenübertragung im 2,4 und 5 GHz ISM-Band

• Aktuell: 802.11-2012

– Übertragungsraten bis 600 Mbit/s brutto (ehemals

802.11n)

– bis zu 14 (2,4-GHz-Band), bzw. 28 (5-GHz-Band*) Kanäle

mit 20 oder 40 MHz Bandbreite

– Modulation: DSSS und OFDM

– Strahlungsleistung (Deutschland): 100-1000 mW EIRP

Reichweiten im Freien bis 100 m (mit speziellen

Antennen auch mehr)

*je nach Land stark verschieden


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Einführung

• 802.11-2012 (Fortsetzung)

– CSMA/CA-basierter Medienzugriff

• RTS/CTS zur Kollisionsvermeidung (CA)

• Medium abhören + Interpretation von CTS zur Detektion

konkurrierender Übertragungen (CS)

– Betrieb als Ad-Hoc- und Infrastrukturnetz möglich

• Identifikation zugehöriger Knoten über Service Set Identifier

(SSID)

– Verschlüsselung nach 802.11i (WPA2)

– Bestätigung und ggf. Neuübertragung von Paketen auf

MAC-Ebene


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Begriffe

• Station (STA): Gerät mit Zugriff auf das Funkmedium

• Basic Service Set (BSS): Gruppe von STAs mit

einheitlich konfigurierter Funkanbindung

• Independent BSS: BSS ohne Anbindung nach außen

(vgl. auch ESS)

• Distribution System (DS): Layer-2-Netz zu Verbindung

mehrerer BSS

• Extended Service Set (ESS): BSS mit Anbindung an

DS


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Betriebsarten: Infrastrukturnetz

Extended Service Set (ESS)

Basic Service Set (BSS) 1 BSS 2

BSS 3

Access Point (AP) SSID: xyz

AP SSID: xyz

AP SSID: xyz

STA

Distribution System (DS)

Layer-2-Verbindung (bspw. Via Ethernet Switches)


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Betriebsarten: Ad-Hoc

IBSS SSID: xyz

IBSS SSID: abc


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Aufbau

• MAC

– Medienzugriff, Fragmentierung, Verschlüsseluung

• MAC-Management (MLME)

– Synchronisation, Roaming, Überwachung, Power

Management

LLC

MAC

PLCP

PMD

MAC Management

PHY Management

Stat

ion

Man

agem

ent

DLC

PHY


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Aufbau

• PLCP (Physical Layer Convergence Protocol)

– Überwachung des Mediums (Carrier Sensing)

– Umwandlung PSDU zu PPDU (Kodierung)

• PMD (Physical Medium Dependent)

– Modulation

• PHY Management

– Überwachung

• Station

Management

– Koordinierung

aller Funktionen

LLC

MAC

PLCP

PMD

MAC Management

PHY Management

Stat

ion

Man

agem

ent

DLC

PHY


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PMD

• 802.11 unterstützt verschiedene Übertragungsarten

mehrere PMDs

– FHSS & IR (1 & 2 Mbit/s, veraltet)

– DSSS (1 & 2 MBit/s),

– HR/DSSS (High Rate DSSS, 5,5 & 11 Mbit/s, 802.11b)

– OFDM (bis 54 Mbit/s)

– ERP (Extended Rate PHY, zusätzliche Geschwindigkeiten

auf 2,4 GHz, veraltet)

– HT (Erweiterung von OFDM auf vier parallele 20- bzw. 40-

MHz-Kanäle, bis 600 Mbit/s)

• Ansteuerung durch PLCP


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PMD

• Beispiel Ansteuerung HT-PMD

PLCP PMD

…

…


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PLCP

• Unterschiedliche PMDs erfordern Anpassung auf

einheitliches Interface zum MAC (Kodierung von Daten

etc.) PLCP

• Einpacken von Datenpaketen des MAC (PSDU) zur

Übertragung via PMD 1 PMD = 1 PLCP

– Präambel & Headerdaten hinzufügen

– Kodierung in passende Übertragungssymbole


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PLCP

• Beispiel OFDM-PPDU

PLCP-Präambel SIGNAL Daten

Rate * Länge Parity * Service PSDU *

PLCP-Header

Short & Long Training Sequence, Synchronisation, Kanalabschätzung

Mit Standardkodierung übertragene Header-Daten von jeder STA dekodierbar

Mit signalisierter Rate übertragene Daten Abschätzung der Dauer auch für Unbeteiligte möglich (aufgrund Übertragung von Rate und Länge in SIGNAL)

Nach: IEEE 802.11-2012, Abbildung 18-1


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802.11 MAC-Layer - Architektur

Point Coordination

Function (PCF)

HCF Controlled

Access (HCCA)

HCF/MCF Contention

Access (EDCA)

MCF Controlled

Access (MCCA)

Distributed Coordination Function (DCF)

Hybrid Coordination Function (HCF)

Mesh Coordination Function (MCF)

Regelung konkurrierender Zugriffe, Basis für alle anderen CFs

Mesh-Unterstützung QoS-Fähigkeiten Nicht-konkurrierende Zugriffe im Infrastruktur-

Modus (Polling)


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802.11 MAC-Layer - DCF

• CSMA/CA

– Carrier Sensing zur Überwachung des Kanalzustandes

• Physisch: Überwachung aktuell laufender Übertragungen am

Transmitter

• Virtuell: Kanalzustand anhand des Network Allocation Vector

(NAV) Überwachung nicht direkt messbarer

Übertragungen (bspw. Anhand Duration-Feld in RTS/CTS)

kombiniert zu Kanalzustand

– Random Backoff zur Kollisionsvermeidung

• Idee: erhöhte Kollisionswahrscheinlichkeit direkt nach

abgeschlossener Übertragung

• Lösung: Entzerrung mehrerer STAs durch zufällige Wartezeit


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• Pakete durch Interframe Spaces (IFS) getrennt

IFS abhängig vom Pakettyp Priorisierung

– DIFS (DCF IFS): normale Datenpakete in DCF

– SIFS (short IFS): u.a. vor ACK- & CTS-Paketen

– PIFS (PCF IFS): bevorzugte Übertragungen von

Managementpaketen in PCF

– AIFS (Arbitration IFS):

Unterstützung von

QoS in HCF

Kanal belegt Nächstes Paket

AIFS[i]

AIFS[i]

DIFS

PIFS

SIFS DIFS

Contention Window Nach: IEEE 802.11-2012, Abbildung 9-3


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802.11 MAC-Layer – DCF

• Grundlegender Medienzugriff

– sendebereite STA überwacht Kanal für min. DIFS

Kanal frei sofortiges Senden

– bei belegtem Kanal

• Überwachung des Kanals bis frei + DIFS

• zufällige Wartezeit n*Slot-Dauer (Backoff-Timer, abhängig

vom PHY)

Kanal belegt während Wartezeit: Unterbrechung des

Timers, Neustart der Gesamtprozedur (inkl. DIFS) mit

verbleibendem Backoff-Timer

• nach Ablauf der Wartezeit: Übertragung

→ Kollisionsvermeidung durch Entzerrung der

Startzeitpunkte, Fairness durch Fortsetzung der

Backoff-Timer


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• Beispiel: Medienzugriff mit Backoff

Übertragung

Übertragung

Übertragung

DIFS

STA1

STA2

STA3

Abgelaufener Backoff-Timer

Verbleibender Backoff-Timer Nach: 802.11-2012, Abbildung 9-12


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• Bevorzugte Übertragung von ACK

– Unicast-Pakete werden mit ACK bestätigt

– Empfänger wartet SIFS & sendet ACK

– automatische Neuübertragung bei Ausbleiben des ACK

– Vorteil: STAs ohne gültigen NAV (bspw. RTS/CTS

verpasst) warten garantiert länger, als der Abstand zum

ACK

SIFS DIFS

Paket

DIFS

ACK

Contention Window Nach: IEEE 802.11-2012, Abbildung 9-3 & 9-4


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• RTS/CTS-Erweiterung (optional)

RTS

CTS

Daten

ACK

NAV (RTS)

NAV (CTS)

DIFS

DIFS

SIFS

SIFS

SIFS

Sender

Empfänger

Andere

Contention Window

Nach IEEE 802.11-2012, Abbildung 9-4


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• RTS/CTS mit fragmentierten Paketen

NAV (RTS)

NAV (CTS)

DIFS

SIFS

Sender

Empfänger

Andere

Contention Window Nach IEEE 802.11-2012, Abbildung 9-5

RTS

SIFS

SIFS

CTS

SIFS

Frag1

ACK1

Frag2

SIFS

ACK2

DIFS

NAV (Frag1)

NAV (ACK1)


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802.11 MAC-Layer – PCF

• Medienzugriffverfahren für Infrastrukturnetze

• zentral: Point Coordinator (PC) verantwortlich für

Abfrage der einzelnen Teilnehmer (Polling)

• Ziele:

– zeitweise Elimierung der Contention-Phasen

– zentrale Kontrolle über Übertragungsreihenfolge

– ggf. kürzere IFS als DCF

– kompatibel zu DCF-basierter Kommunikation auf gleichem

Kanal (PCF hat automatisch Vorrang durch kürzere

Wartezeiten)


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• PC kann mittels Beacon-Frame den Kanal für eine

gewisse Zeit belegen & PCF-kontrollierten Traffic

übertragen

• PCF- & DCF-Perioden wechseln sich ab

• periodische Wiederholung des Vorgangs

Verschiebung bei belegtem Medium

B PCF B PCF B Belegtes Medium

CFP-Intervall CFP-Intervall

NAV NAV

Verkürzte CFP

B: Beacon Frame CFP: Contention-Free Period Nach IEEE 802.11-2012, Abbildung 9-15


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• Ablauf PCF-Transfer

PIFS SIFS SIFS SIFS SIFS SIFS SIFS SIFS PIFS

B D1

+ poll

U1 +ACK

D2+ACK +poll

U2 +ACK

D3+ACK +poll

D4 +poll

U4 +ACK

CF-End

PC

STA keine Antwort von STA 3

NAV (Beacon)

NAV zurückgesetzt

Contention-freie Phase (PCF)

Contention- Phase (DCF)

Dx – Pakete von PC an STA (Downlink) Ux – Pakete von STA an PC (Uplink) Nach IEEE 802.11-2012, Abbildung 9-18


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• Vorteile:

– erhöhte Effizienz durch Vermeidung von Wettbewerb um

das Medium kürzere Wartezeiten (SIFS, statt DIFS

nach ACK)

– mehrere Pakete in einem Frame (Dn+1, ACKn, Poll)

• Nachteile:

– zentraler Koordinator (AP als Point Coordinator)

alle Kommunikation über AP

– direkte Verbindung zu AP notwendig keine Meshnetze

– Startzeitpunkt der CFP variabel, Übertragungsdauer der

STAs unbekannt keine QoS-Aussagen möglich


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802.11 MAC-Layer – Frameformat

• Allgemeines MAC-Paketformat

• ausgewählte Felder

– Frame Control: Verwaltungsinformationen des Paketes

– Dauer: Informationen zum Setzen des NAV

– Adressen: abhängig vom Typ Adressen beteiligter

Systeme

– FCS: Frame Check Sequence, Prüfsumme

Frame Control

Dauer/ ID

Adresse 1

Adresse 2

Adresse 3

Sequence Control

Adresse 4

QoS Control

HT Control

Daten FCS

MAC-Header

2 2 6 6 6 2 6 2 4 0-7951 4

(alle Längen in Bytes) Minimal notwendige Felder



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• Frame Control

– Type/Subtype: Pakettyp (Control, Management, Data) und

Untertyp (bpsw. Control/RTS)

– To/From DS: Paket ist für das Distribution System (DS)

bestimmt/kommt aus DS relevant für Interpretation der

Adressfelder

– Weitere Fragmente: weitere Fragmente des Datenteils

folgen

– Retry: Paket ist eine erneute Übertragung eines

vorangegangen Paketes

Version Type Subtype To DS From DS Weitere Fragm.

Retry Power Mgmt.

Weitere Daten

Geschütztes Paket

Order

2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1

(alle Längen in Bits) Nach IEEE 802.11-2012, Abbildung 8-2


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• Interpretation der Adressen

Szenario From DS To DS Adresse 1 Adresse 2 Adresse 3 Adresse 4

STASTA 0 0 RA=DA TA=SA BSSID -

APSTA 1 0 RA=DA TA=BSSID SA -

STAAP 0 1 RA=BSSID TA=SA DA -

Mesh 1 1 RA TA DA SA

• DA (Destination Address): MAC-Adresse des Zielsystems des Paketes • RA (Receiving STA Address): MAC-Adresse des Ziels der aktuellen

Übertragung (in Mesh- oder Infrastrukturnetzen ggf. != endgültiges Paketziel)

• SA (Source Address): MAC-Adresse des Quellsystems des Paketes • TA (Transmitting STA Address): MAC-Adresse der Quelle der aktuellen

Übertragung (Kommentar siehe RA) • BSSID: Basic Service Set Identifier (bspw. MAC-Adresse des AP in

Infrastrukturnetzen oder geeignete Zufallszahl in IBSS)


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• Ausgewählte Controlframes

– Acknowledgement: Bestätigung des direkt

vorrangegangenen Datenframe keine SA

– RTS: Anforderung der Sendeerlaubnis

Benennung des Anfragenden (RA & TA)

– CTS: Sendefreigabe RA = Freigebender Sender

Duration dient jeweils der Steuerung des NAV

Frame Control Duration Transmitter

Address FCS

Frame Control Duration Receiver Address

FCS Transmitter

Address

Frame Control Duration Receiver Address

FCS


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802.11 MAC-Management

• Synchronisation

– gemeinsame Zeitbasis (Timing Synchronization

Function/TSF Timer) für alle STA in einem BSS

Basis für einheitliche SIFS/DIFS/PIFS etc.

• Power Management

– Stromsparmechanismen (Abschalten des Transceivers für

bestimmte Zeit)

– Puffern von Paketen für abgeschaltete STAs

• Assoziierung/Reassoziierung

– Integration einer STA in bestehendes Netz

– Roaming durch Wechsel des AP

– Scanning zur Suche nach vorhandenen Netzen


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802.11 MAC-Management – Synchronisation

• Synchronisation mittels Beacon-Frames

– enthält (unter anderem) TSF-Zeitstempel (in

Mikrosekunden mit Periode 264) & Beacon-Intervall

• Infrastrukturmodus

– Zeitgeber: Access Point

– Beacon können durch laufende Übertragung verschoben

werden Intervall bleibt gleich!

Beacon-Intervall Beacon-Intervall Beacon-Intervall Beacon-Intervall

B B B B Daten Daten Daten Daten

Wert des Zeitstempels (TSF-Timer der Übergabe des ersten Symbols an den PHY + PHY-Delay) → empfangende STA kann ihren TSF-Timer passend setzen Nach IEEE 802.11-2012, Abbildung 10-1


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802.11 MAC-Management – Synchronisation

• Ad-Hoc-Modus

– Beacons werden zufällig von beliebiger STA generiert

Synchronisation der TSF-Timer über die Zeit

– zufällige Verzögerung vor Beacon-Aussendung

Kollisionsvermeidung

– Zielzeit: Ende des Beaconintervalls

Zurückstellen aller anderen Pakete

Beacon-Intervall Beacon-Intervall Beacon-Intervall Beacon-Intervall

B

B

B

B

STA1

STA2

STA3 Daten

Daten

Daten Daten

Wert des Zeitstempels Zufällige Verzögerung Nach IEEE 802.11-2012, Abbildung 10-2


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802.11 MAC-Management – Power Management

• Ziel: Abschaltung des Transceivers zum Energiesparen

ohne Paketverlust!

• Grundidee:

– STAs können in Power-Save-Modus (PS) wechseln

Power Management = 1 in Frame Control

– Pakete für STAs in PS werden zwischengespeichert

Information in Traffic Indication Map (TIM)

TIM wird periodisch mit Beacon übertragen

– STAs wachen periodisch auf und prüfen TIM


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• Infrastrukturmodus

TIM- Intervall

DTIM-Intervall

busy busy

Packet für STA3 am AP eingetroffen

TIM enthält STA3 als Ziel

STA3 dekodiert TIM PS-Poll

ACK mit PM=1 DTIM TIM Broadcast-/Multicast- Traffic

AP

STA1

STA2

STA3



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• Ad-Hoc-Modus

TIM- Intervall

ATIM- Fenster

Packet für STA3 auf STA1 generiert

ATIM STA3

ATIM-ACK STA1

DATA STA3

DATA-ACK STA1 Nach IEEE 802.11-2012, Abbildung 10-5


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802.11 MAC-Management – Mobility

• Entscheidung für AP-Wechsel liegt bei STA

basierend auf Verbindungsqualität

• Scanning, Reassociation, ggf. Aushandlung von

Verbindungsparametern (Schlüssel, QoS) zeitaufwändig

Verbesserung durch Fast BSS Transition

– Ziel: Verringerung der Unterbrechung zum DS

– mehrere AP in einer Mobility Domain

– verringerte Nachrichtenanzahl bei AP-Wechsel durch

Parallelisierung von Assoziierung, Schlüsseltausch etc.

– Möglichkeit zur Aushandlung mit Ziel-AP über DS vor dem

Wechsel


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802.11 QoS

• Unterstützung verschiedener Prioritäten auf MAC-Ebene

• Ziel: Audio & Video ggü. normalem Traffic priorisieren,

Delay minimieren

• Elemente

– kürzere IFS für Audio- & Videoframes (AIFS)

– Verschiedene Traffic-Klassen, Signalisierung von

Queueständen zum AP möglich

– Übernahme des Mediums durch AP zu fast jederzeit

(ähnlich CFP unter PCF, aber flexiblere Startzeitpunkte)

– Bestätigung mehrerer Frames im Block

– Unbestätigte Frames zur Vermeidung von

Neuübertragungen


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