Mobilkommunikationsnetze
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- IEEE 802.11 -
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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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802.11 MAC-Layer - DCF
• 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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802.11 MAC-Layer – DCF
• 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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802.11 MAC-Layer - DCF
• 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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802.11 MAC-Layer – DCF
• 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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802.11 MAC-Layer – DCF
• 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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802.11 MAC-Layer – PCF
• 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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802.11 MAC-Layer – PCF
• 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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802.11 MAC-Layer – PCF
• 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
Nach IEEE 802.11-2012, Abbildung 8-1
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802.11 MAC-Layer – Frameformat
• 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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802.11 MAC-Layer – Frameformat
• 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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802.11 MAC-Layer – Frameformat
• 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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802.11 MAC-Management – Power Management
• 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
Nach IEEE 802.11-2012, Abbildung 10-4
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802.11 MAC-Management – Power Management
• 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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Kontakt
Besucheradresse:
Technische Universität Ilmenau Helmholtzplatz 5 Zusebau, Raum 1034 D-98693 Ilmenau
fon: +49 (0)3677 69 4125 fax: +49 (0)3677 69 1226 e-mail: [email protected]
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