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1 RETI CELLULARI RETI CELLULARI RETI CELLULARI Docente: Andrea Baiocchi Dipartimento INFOCOM Università di Roma “La Sapienza” E-mail: [email protected] URL: http://net.infocom.uniroma1.it/corsi/rc/rc.htm Università di Roma “La Sapienza” Dip. INFOCOM Andrea Baiocchi, Dip. INFOCOM, Università di Roma “La Sapienza” - Corso di “Reti Cellulari” - A.A. 2004/2005 2 Indice Indice Indice Le reti cellulari Architettura di una rete cellulare Coperture cellulari Le reti cellulari geografiche: il GSM Architettura generale Servizi portanti e trasmissione dal punto di vista dell’utente Accesso radio Piano di controllo: il trasporto della segnalazione Gestione delle risorse radio Gestione della mobilità e della sicurezza Gestione della comunicazione Evoluzione del GSM verso la 3G (GPRS, EDGE) Le WLAN

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RETI CELLULARIRETI CELLULARIRETI CELLULARI

Docente: Andrea Baiocchi

Dipartimento INFOCOM

Università di Roma “La Sapienza”

E-mail: [email protected]

URL: http://net.infocom.uniroma1.it/corsi/rc/rc.htm

Università di Roma “La Sapienza”

Dip. INFOCOM

Andrea Baiocchi, Dip. INFOCOM, Università di Roma “La Sapienza” - Corso di “Reti Cellulari” - A.A. 2004/2005 2

IndiceIndiceIndice

Le reti cellulari

Architettura di una rete cellulare

Coperture cellulari

Le reti cellulari geografiche: il GSM

Architettura generale

Servizi portanti e trasmissione dal punto di vista dell’utente

Accesso radio

Piano di controllo: il trasporto della segnalazione

Gestione delle risorse radio

Gestione della mobilità e della sicurezza

Gestione della comunicazione

Evoluzione del GSM verso la 3G (GPRS, EDGE)

Le WLAN

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Le WLANLe WLANLe WLAN

! Benefici:

Mobilità: gli utenti possono spostarsi continuando ad utilizzare il proprioterminale

Connettività a breve termine: è possibile creare reti ad-hoc, ad esempioper una riunione

Possibilità di installare una rete in situazioni nelle quali il cablaggio èdifficile, ad esempio:

In spazi aperti (parchi, campi sportivi)

In edifici storici

Maggiore robustezza in caso di disastri

! Applicazioni

Reti locali da interno (magazzini, uffici, ospedali, home networks)

Interconnessione di edifici

Copertura di aree pubbliche (hotspots)

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! Applicazioni

Reti locali da interni, interconnessione di edifici, reti ad hoc

Hot spot pubblici

Home Networking

WLAN e WPANWLAN e WPANWLAN e WPAN

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Reti ad infrastruttura e reti ad-hocReti ad infrastruttura e reti ad-hocReti ad infrastruttura e reti ad-hoc

Rete ad infrastruttura

Rete ad-hoc

APAP

AP

wired network

AP: Access Point

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Lo standard IEEE 802.11Lo standard IEEE 802.11Lo standard IEEE 802.11

! Nel 1997 l'IEEE ha definito lo standard 802.11:Due versioni (DSSS e FHSS) operanti nella banda dei 2.4GHz, a 1 o 2Mbps

! Sono stati poi aggiunti alcuni supplementi:802.11a: raggiunge i 54Mbps con tecniche OFDM nella banda dei 5GHz

802.11b: raggiunge gli 11Mbps nella banda dei 2.4GHz

802.11f: interaccess point protocol (roaming dei terminali mobili)

802.11g: raggiunge i 54Mbps nella banda dei 2.4GHz

802.11h: gestione dello spettro (aggiunge TPC e DFS)

802.11i: sicurezza

802.11j: 4.9 GHz–5 GHz operation in Japan

! Il processo di standardizzazione è in corso:802.11 TGe: qualità di servizio (QoS)

802.11 TGn: nuovo protocollo MAC e PHY (>100 Mbit/s al MAC)

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Canali per 802.11Canali Canali per 802.11per 802.11

2.412

2.417

2.422 2.432 2.442 2.452 2.462 2.472 2.484

2.427 2.437 2.447 2.457 2.467

2

3

4

5

1

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6 11

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Canali accessibili nel mondoCanali accessibili nel mondoCanali accessibili nel mondo

Channel Freq (GHz) US/Can Europe Spain France Japan

1 2.412 x x 2 2.417 x x 3 2.422 x x 4 2.427 x x 5 2.432 x x 6 2.437 x x 7 2.442 x x 8 2.447 x x 9 2.452 x x10 2.457 x x x x11 2.462 x x x x12 2.467 x x13 2.472 x x14 2.484 x

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Certificazione Wi-FiCertificazione WiCertificazione Wi--FiFi

! Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA)

! Over 70 members including: 3Com, Symbol, Lucent, Cabletron,Aironet, Dell, Intersil

! Purpose: Insure cross-vendor interoperability of 802.11bsolutions

! The goal: Wi-Fi = Ethernet for WLAN

! Independent lab certifies products as Wi-Fi compliant

Only products passing test can use Wi-Fi logo

Wi-Fi logo products have basic interoperability

Connect, encrypt, and roam

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IEEE 802.11: topologia della reteIEEE 802.11: topologia della reteIEEE 802.11: topologia della rete

! Lo standard definisce due topologie di rete:

Reti IBSS (Independent Basic Service Set)

Reti ESS (Extended Service Set)

! Una rete 802.11 è costituita da almeno un Basic Service Set(BSS); corrispondente a una “cella”

Comprende un certo numero di stazioni (STA) che si trovano nella stessaarea geografica, e che sono sotto il controllo di una singola funzione dicoordinamento:

DCF (Distributed Coordination Function): controllo distribuito

PCF (Point Coordination Function): controllo centralizzato

L'area coperta dal BSS è nota come BSA (Basic Service Area)

Le stazioni in un BSS possono non essere tutte reciprocamente entroportata

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Rete ad-hoc (IBSS)Rete ad-hoc (IBSS)Rete ad-hoc (IBSS)

! Un IBSS (Independent BasicService Set) è un gruppo diSTA che comunicano senzal’aiuto di una infrastruttura

! Comprende stazioni cheusano la stessa frequenza, esono in grado di comunicarel’una con l’altra

! Una stazione può comunicarecon un'altra stazione delmedesimo IBSS senza che iltraffico passi attraversoun’apparato centralizzato (AP)802.11 LAN

IBSS2

802.11 LAN

IBSS1

STA1

STA4

STA5

STA2

STA3

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Rete ad infrastruttura (ESS) (1/2)Rete Rete ad ad infrastruttura infrastruttura (ESS) (1/2)(ESS) (1/2)

BSS

BSS

AP

AP

Distribution

system

! Una rete ESS è costituitada più BSS integrate da unDistribution System (DS)comune

Il DS trasporta a livello MACle MSDU; l'AP in effetti è unbridge posto tra il BSS e ilDS

Il DS può essere una retewired o wireless

L'ESS appare come unasingola LAN allo strato LLC

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Rete ad infrastruttura (ESS) (2/2)Rete ad infrastruttura (ESS) (2/2)Rete ad infrastruttura (ESS) (2/2)

! AP (Access Point) è unastazione che fa parte siadella wireless LAN sia delDistribution System

! Portal: è un bridge tra ilDistribution System e un’altrarete wired

! Distribution System: è la rete(wired o wireless) cheinterconnette più BSS aformare un ESS

Distribution System

Portal

LAN 802.x

Access

Point

802.11 LAN

BSS2

LAN 802.11

BSS1

Access

Point

STA1

STA2 STA3

ESS

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Architettura di IEEE 802.11 (1/3)Architettura di IEEE 802.11 (1/3)Architettura di IEEE 802.11 (1/3)

! Strato LLC:

Controllo di flusso e di errore

E' indipendente dalla topologia della rete, dal mezzo trasmissivo e dalMAC; è definito in IEEE 802.2

! Strato MAC:

Accesso al mezzocondiviso

! Strato fisico:

Codifica/decodificasegnali

Gestione del preambolo

Trasmissione/ricezionedei bit

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Architettura di IEEE 802.11 (2/3)Architettura di IEEE 802.11 (2/3)Architettura di IEEE 802.11 (2/3)

Terminale mobile

Access Point

Terminale

fisso

application

TCP

802.11 PHY

802.11 MAC

IP

802.3 MAC

802.3 PHY

application

TCP

802.3 PHY

802.3 MAC

IP

802.11 MAC

802.11 PHY

LLC

Rete 802.3

LLC LLC

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Architettura di IEEE 802.11 (3/3)Architettura di IEEE 802.11 (3/3)Architettura di IEEE 802.11 (3/3)

! Lo standard 802.11 definisce attualmente un singolo strato MACe più strati fisici

! Lo strato fisico è suddiviso in due sottostrati:

PLCP: Physical Layer Convergence Procedure sublayer: carrier sensing

PMD: Physical Medium Dependent sublayer: modulazione, codifica

! MAC: accesso multiplo, frammentazione, cifratura

Il MAC comunica con il PLCP per mezzo di primitive attraverso il PHY-SAP

PMD

PLCP

MAC

LLC

MAC Management

PHY Management

PH

YD

LC

Sta

tion M

anagem

ent

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Strato MAC (1/2)Strato MAC (1/2)Strato MAC (1/2)

! Si basa su un algoritmo della famiglia CSMA

Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance (CSMA/CA)

Non è prevista la rilevazione di collisione (CD), in quanto essa è didifficile realizzazione in una rete wireless

! Prevede un accesso multiplo distribuito e autonomo, a divisionedi tempo, duplexing nel tempo, con assegnazione dinamicadelle risorse su base pacchetto (MAC frame)

DCF: accesso random con collisioni

PCF: accesso controllato con polling

! Adotta una politica analoga ad un subentro p-persistente

! Offre un servizio di trasferimento (nell’interfaccia radio) di tipobest effort

! In corso estensione per la gestione di QoS differenziata

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Strato MAC (2/2)Strato MAC (2/2)Strato MAC (2/2)

! Consegna affidabile dei dati

Il protocollo MAC include un meccanismo di recupero degli errori (ARQ)

Ogni MAC frame include un campo di rivelazione di errore

Quando una stazione riceve un pacchetto dati da un'altra stazione, rispondecon un riscontro (ACK)

Questo scambio di pacchetti non deve essere interrotto da trasmissioniprovenienti da altre stazioni

Se la stazione sorgente non riceve un ACK entro un determinato intervallodi tempo, NON può determinare con certezza quale evento si è verificato:

MAC frame rivelato con errore a destinazione e scartato

Collisione nel ricevitore

ASSUME quindi collisione ed effettua subentro randomizzato eritrasmissione del pacchetto dati

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Funzioni di coordinamento del MACFunzioni di coordinamento del MACFunzioni di coordinamento del MAC

! Sono previste due modalità di gestione degli accessi:

Distributed Coordination Function (DCF): un protocollo distribuito acontesa, basato sul CSMA/CA

Point Coordination Function (PCF): un protocollo centralizzato,coordinato da un Access Point

! Il PCF si trova al di sopra del DCF e ne sfrutta lecaratteristiche per assicurare l'accesso ai suoi utenti

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Inter-Frame SpaceInter-Frame SpaceInter-Frame Space

t

trasmissioneSIFS

PIFS

DIFSxIFS

trama successivacontesa

si accede al mezzo se esso rimane liberoper un tempo ! xIFS

! Gli IFS sono intervalle di tempo di silenzio forzato che devono essererispettati dalle stazioni in contesa (backlogged)

! E’ un modo semplice per realizzare un accesso differenziato secondodiversi livelli di priorità distribuito, autonom.

! Sono definiti tre tipi di IFS

SIFS (Short IFS)

PIFS (PCF IFS)

DIFS (DCF IFS)

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DCF: Basic Access (1/3)DCF: Basic Access (1/3)DCF: Basic Access (1/3)

t

Trasferimento dati

DIFSDIFS

Nuovo trasf. dati

contention window

(backoff aleatorio)

slot time

si accede al mezzo

se esso rimane liberoper un tempo ! DIFS

! Una stazione pronta a trasmettere rileva lo stato del canale (CCA –Clear Channel Assessment, segnalato dal PLCP)

! Se il mezzo rimane libero per la durata di un DCF Inter-Frame Space(DIFS) la stazione inizia a trasmettere

! Se il mezzo è occupato, la stazione attende che torni libero, poiaspetta un DIFS, quindi attende ancora per un tempo di backoff(aleatorio, multiplo di uno slot time)

! Il timer di backoff viene congelato se viene rilevata una trasmissioneprima dello scadere del timer stesso

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DCF: Basic Access (2/3)DCF: Basic Access (2/3)DCF: Basic Access (2/3)

t

busy

boe

STA1

STA2

STA3

STA4

STA5

Un pacchetto arriva al MAC

DIFS

boe

boe

boe

busy

Backoff trascorso

borBackoff residuo

busy Trasmissione in corso

bor

bor

DIFS

boe

boe

boe bor

DIFS

busy

busy

DIFS

boe busy

boe

boe

bor

bor

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DCF: Basic Access (3/3)DCF: Basic Access (3/3)DCF: Basic Access (3/3)

! Se il pacchetto è stato ricevuto correttamente, la stazionericevente emette un riscontro dopo aver atteso un SIFS

Il fatto che SIFS < xIFS per ogni x!S garantisce l’assenza di collisioni per l’ACK

! Il riscontro è previsto solo per trasmissioni unicast

t

SIFS

DIFS

data

ACK

waiting time

Altre

stazioni

Stazione

ricevente

Stazione

trasmittentedata

DIFS

contention

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Terminale nascostoTerminale nascostoTerminale nascosto

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DCF: RTS/CTS (1/2)DCF: RTS/CTS (1/2)DCF: RTS/CTS (1/2)

! Per ridurre gli effetti negativi delle collisioni, in particolare nelcaso del “nodo nascosto”, una stazione può riservare il canaleprima della trasmissione:

La sorgente invia un pacchetto RTS (Request To Send) alladestinazione; il campo duration indica la durata della trasmissione

La destinazione risponde con un CTS (Clear To Send)

Le altre stazioni che hanno ricevuto RTS o CTS evitano di trasmettereper il tempo specificato dal campo duration specificato

! I pacchetti RTS e CTS hannu lunghezza rispettivamente di 20 e14 byte

! La maggiore efficienza della modalità RTS/CTS rispetto a quellabasic dipende dal peso relativo di questo overhead e dellecollisioni

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DCF: RTS/CTS (2/2)DCF: RTS/CTS (2/2)DCF: RTS/CTS (2/2)

t

SIFS

DIFS

dati

ACK

ritarda l‘accessoAltre stazioni

ricevitore

trasmettitore

dati

DIFS

contesa

RTS

CTSSIFS SIFS

NAV (RTS)NAV (CTS)

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DCF: frammentazione (1/2)DCF: frammentazione (1/2)DCF: frammentazione (1/2)

! La frammentazione è utile in caso di canale disturbato ocomunque per diminuire il peso dell’overhead inerente ognisingolo accesso di una stazione

Una MAC SDU viene frammentata se la sua lunghezza supera un valoresoglia

! Il canale viene rilasciato solo al termine della trasmissione diuna SDU, oppure se si verifica un errore

In caso di errore il canale viene rilasciato, e la stazione deve nuovamentecontendere per ottenere l’accesso; la trasmissione riprende dalframmento per il quale si era verificato l’errore

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DCF: frammentazione (2/2)DCF: frammentazione (2/2)DCF: frammentazione (2/2)

t

SIFS

DIFS

dati

ACK1

Altre

stazioni

Ricevitore

Trasmettitore

fram1

DIFS

contesa

RTS

CTSSIFS SIFS

NAV (RTS)

NAV (CTS)

NAV (fram1)

NAV (ACK1)

SIFSACK2

fram2

SIFS

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DCF: timer di backoffDCF: timer di backoffDCF: timer di backoff

! Si usa il binary exponential backoff:

L'asse dei tempi è suddiviso in time slot, di durata fissa (per esempio, 20µs per il DSSS)

Il tempo di backoff è una variabile aleatoria, multiplo intero di uno slottime, uniformemente distribuita tra 1 e un valore noto come ContentionWindow (CW)

La dimensione della CW è posta ad un valore minimo (CWmin) dopoogni trasmissione andata a buon fine; viene raddoppiata dopo ciascuntentativo fallito, non superando comunque un valore massimo (CWmax)

CW(m) = min{2·CW(m–1),CWmax}, m " 1; CW(0)=CWmin

! Il timer di backoff viene fermato e congelato se durante ilconteggio il mezzo è sentito occupato; il conteggio viene ripresodopo il verificarsi di un intervallo idle di durata DIFS

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DCF: Inter-Frame SpacingDCF: Inter-Frame SpacingDCF: Inter-Frame Spacing

! Sono previsti 3 diversi valori per l'IFS (livelli di priorità):

SIFS (short IFS): usato quando si richiede una risposta immediata, che non puòessere interrotta da altre trasmissioni; SIFS = 10µs

PIFS (PCF IFS): usato dal PCF; PIFS = SIFS + slot time

DIFS (DCF IFS): usato come ritardo minimo per l'accesso a contesa; DIFS = PIFS+ slot time

! Il SIFS è usato nelle seguenti circostanze:

Riscontro (ACK): quando una stazione riceve un pacchetto, risponde con un ACKdopo aver atteso solo per un SIFS;

Invio di un frammento dopo un ACK

Ciò permette di migliorare l'efficienza di utilizzazione quando si utilizza laframmentazione; infatti una stazione è in grado di mantenere il controllo del canale finoa che non ha trasmesso tutti i frammenti di una LLC PDU

Clear to Send (CTS)

Poll response (nel PCF)

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DCF: carrier sensing e NAVDCF: carrier sensing e NAVDCF: carrier sensing e NAV

! Carrier sensing:

Fisico: la presenza di altre STA in trasmissione viene rilevata analizzando ipacchetti ricevuti, e la potenza del segnale proveniente da altre sorgenti

Virtuale: nell'header dei pacchetti RTS, CTS e dati è presente un campo duration,che indica dopo quanto tempo dalla fine del pacchetto corrente il canale torneràdisponibile

Questa informazione viene impiegata dalle STA per aggiornare il NAV (NetworkAllocation Vector), che indica tra quanto tempo la trasmissione in corso avràtermine

! Nella procedura RTS/CTS

Il pacchetto RTS, trasmesso dalla sorgente, contiene un campo duration che indicala durata della trasmissione: tutte le STA che ricevono l'RTS leggono il campoduration del pacchetto RTS, ed impostano il proprio NAV

La stazione ricevente emette il CTS, impostando il campo duration: tutte le stazioniche ricevono il CTS leggono il campo duration, ed impostano il proprio NAV

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Diagrmma di flusso del DCFDiagrmma di flusso Diagrmma di flusso del DCFdel DCF

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DCF: esempi (1/4)DCF: DCF: esempiesempi (1/4) (1/4)

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DCF: esempi (2/4)DCF: esempi (2/4)DCF: esempi (2/4)

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DCF: esempi (3/4)DCF: esempi (3/4)DCF: esempi (3/4)

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DCF: esempi (4/4)DCF: esempi (4/4)DCF: esempi (4/4)

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Point coordination function (PCF)Point coordination function (PCF)Point coordination function (PCF)

! E' previsto nel caso di rete con infrastruttura (AP)

I periodi in cui si usa il PCF sono detti CFP (Contention Free Period), e sialternano ai CP (Contention Period) nei quali si usa il DCF

Un AP (Point Coordinator) controlla l'accesso al canale e mantiene lalista dei terminali registrati

! Il CFP inizia con la trasmissione da parte del PC di un beaconframe dopo che è trascorso un PIFS dal momento in cui ilcanale è percepito libero

Tutti i terminali che ricevono il beacon impostano il NAV alla duratamassima di un CFP

Durante il CFP, il PC invia messaggi di poll con disciplina round robin, esolo un terminale che ha ricevuto un poll oppure un pacchetto dati èautorizzato a trasmettere

Il PC può porre fine al CFP trasmettendo un pacchetto CF-end

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PCF: struttura temporalePCF: PCF: struttura temporalestruttura temporale

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PCF: esempioPCF: PCF: esempioesempio

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! Lo standard (draft) IEEE 802.11e definisce due “coordinationfunctions”:

Enhanced DCF (EDCF)

Hybrid Coordination Function (HCF)

! Introduce l’entità Hybrid Coordinator (HC)

Simile al point coordinator, HC è un controllore centralizzato per gli altriterminali, tipicamente coincidente con un AP

! Definisce diversi livelli di supporto della QoS

Livello 3: scheduling parametrizzato - EDCF+HCF

Livello 2: scheduling a priorità - EDCF+HCF

Livello 1: scheduling a priorità - EDCF

Livello 0: nessuno scheduling - DCF+PCF

Supporto della qualità di servizioSupporto della qualitSupporto della qualitàà di servizio di servizio

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Beacon

CF-Poll CF-End

802.11 periodic Superframe

DATA DATA DATA

CFP(Contention Free Period) CP(Contention Period)

DATA DATA DATA

BeaconDATA DATA DATA

CFP(Contention Free Period)(Polling through HCF)

CP(Contention Period)

DATA DATA DATA DATA

802.11e periodic Superframe

PC

STAs

HC

STAs

TXOP

CF-Poll

DATA

TXOP

CCI

DATA

SuperframeSuperframeSuperframe

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! La funzione di coordinamento distribuita è arricchita definendouna Enhanced Distributed Coordination Function (EDCF).

! La EDCF è usata solo nel Contention Period ( CP )

! Otto Traffic Categories (TC) in ciascun terminale

Scheduling interno al terminale per selezionare il pacchetto datrasmettere in caso di contesa tra TC diverse

! L’accesso EDCF si basa sul CSMA/CA con ExponentialBackoff, attribuendo a ogni TC valori diversi dei parametri delCSMA (CWmin, CWmax, IFS)

In luogo del DIFS si definisce un AIFS[TC], Arbitration IFS >= DIFS

CWmin[TC] = 0…255

CWmax[TC] è opzionale

EDCF: principiEDCF: principiEDCF: principi

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AIFS(TC1)

DATA

Ack

SIFS SIFS

PIFS

AIFS(TC7)

time

AIFS(TC4)

Contention Window

(Counted in slots)

High Priority TC backoff

Low Priority TC backoff

Medium Priority TC backoff

RTS

CTS

SIFS

IFS in 802.11eIFS in 802.11eIFS in 802.11e

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TC7

Backoff

(AIFS)

(CW)

TC6

Backoff

(AIFS)

(CW)

TC5

Backoff

(AIFS)

(CW)

TC4

Backoff

(AIFS)

(CW)

TC3

Backoff

(AIFS)

(CW)

TC2

Backoff

(AIFS)

(CW)

TC1

Backoff

(AIFS)

(CW)

TC0

Backoff

(AIFS)

(CW)

High priority Low priority

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

Transmissionattempt

AIFS: Arbitration Inter-Frame Space

Backoff(DIFS)

(32)

Transmissionattempt

DCF

EDCF: scheduling nel terminaleEDCF: scheduling nel terminaleEDCF: scheduling nel terminale

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! E' usato sia nei Contention Free Period (come unica modalità diaccesso) sia nei Contention Period (affiancato all' EDCF)

La Trasmission Opportunity (TXOP) è un intervallo di tempo in cui unterminale ha il diritto di trasmettere; esso è definito da un istante iniziale eda una durata massima

! Durante i CFP

HC fornisce ai singoli terminali l'accesso al canale (polling) specificandol'istante di inizio e la durata massima di ciascun TXOP

! Durante i CP

HC può fornire l'accesso ad un terminale (polled TXOP) mandando un CF-Poll dopo che il canale risulta libero per un periodo PIFS

HC può iniziare un Controlled Contention Interval (CCI) mandando uncontrol frame specifico

HCF (Hybrid Coordination Function)HCF (Hybrid Coordination Function)HCF (Hybrid Coordination Function)

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! E' un altro protocollo ad accesso casuale

! Permette ai terminali di richiedere l'allocazione di polled TXOPIl terminale invia una Reservation Request (RR) con il TC richiesto e ladurata del TXOP

! L'HC inizia un CCI inviando un control frame specifico; questoForza i terminali “legacy” a impostare il NAV fino al termine del CCI

Definisce un numero di Controlled Contention Opportunities (CCO), cioèintervalli separati da SIFS

Definisce una “filtering mask” che contiene le TC alle quali le RR devonoappartenere

! Ogni terminale con pacchetti in coda con TC coincidente con unodella maschera sceglie casualmente un CCO e trasmette la RR

! Ciascuna RR deve essere confermato tramite ACK vista lapossibilità di collisioni

CCI (Controlled Contention Interval)CCI (Controlled Contention Interval)CCI (Controlled Contention Interval)

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Formato della tramaFormato della tramaFormato della trama

! Tipi di trama:

Trame di controllo, di gestione, dati

! Numeri di sequenza

Servono ad evitare trame duplicate dovute alla perdita di ACK

! Indirizzi:

Ricevitore, trasmettitore (fisico), identificatore di BSS, trasmettitore (logico)

Frame

Control

Duration/

ID

Address

1

Address

2

Address

3

Sequence

Control

Address

4Data CRC

2 2 6 6 6 62 40-2312bytes

Protocol

versionType Subtype

To

DS

More

FragRetry

Power

Mgmt

More

DataWEP

2 2 4 1

From

DS

1

Order

bits 1 1 1 1 1 1

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Frame Control FieldsFrame Control FieldsFrame Control Fields

! Protocol version – 802.11 version

! Type – control, management, or data

! Subtype – identifies function of frame

! To DS – 1 if destined for DS

! From DS – 1 if leaving DS

! More fragments – 1 if fragments follow

! Retry – 1 if retransmission of previous frame

! Power management – 1 if transmitting station is in sleep mode

! More data – Indicates that station has more data to send

! WEP – 1 if wired equivalent protocol is implemented

! Order – 1 if any data frame is sent using the Strictly Orderedservice

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Formato degli indirizziFormato degli indirizziFormato degli indirizzi

scenario to DS from

DS

address 1 address 2 address 3 address 4

ad-hoc network 0 0 DA SA BSSID -

infrastructure

network, from AP

0 1 DA BSSID SA -

infrastructure

network, to AP

1 0 BSSID SA DA -

infrastructure

network, within DS

1 1 RA TA DA SA

DS: Distribution System

AP: Access Point

DA: Destination Address

SA: Source Address

BSSID: Basic Service Set Identifier

RA: Receiver Address

TA: Transmitter Address

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Control Frame SubtypesControl Frame SubtypesControl Frame Subtypes

! Power save – poll (PS-Poll)

! Request to send (RTS)

! Clear to send (CTS)

! Acknowledgment

! Contention-free (CF)-end

! CF-end + CF-ack

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Data Frame SubtypesData Frame SubtypesData Frame Subtypes

! Data-carrying frames

Data

Data + CF-Ack

Data + CF-Poll

Data + CF-Ack + CF-Poll

! Other subtypes (don’t carry user data)

Null Function

CF-Ack

CF-Poll

CF-Ack + CF-Poll

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Management Frame SubtypesManagement Frame SubtypesManagement Frame Subtypes

! Association request

! Association response

! Reassociation request

! Reassociation response

! Probe request

! Probe response

! Beacon

! Announcement traffic indication message

! Dissociation

! Authentication

! Deauthentication

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ACK, RTS, CTSACK, RTS, CTSACK, RTS, CTS

Frame

ControlDuration

Receiver

Address

Transmitter

Address

2 2 6 6 4bytes

Frame

ControlDuration

Receiver

AddressCRC

2 2 6 4bytes

Frame

ControlDuration

Receiver

AddressCRC

2 2 6 4bytes

ACK

RTS

CTS

CRC

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ManagementManagementManagement

! Sincronizzazione

Timing Synchronization Function (TSF)

Le stazioni attendono di ricevere una trama beacon per sincronizzarsicon una rete

Le trame beacon sono inviate ad intervalli predefiniti

! Risparmio energetico

Modalità di risparmio, con memorizzazione dei pacchetti da inviare aiterminali in stato “sleep”

! Associazione e ri-associazione

Associazione di una stazione ad un AP

Roaming (passaggio ad un altro AP)

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Sincronizzazione con beacon (1/2)Sincronizzazione con beacon (1/2)Sincronizzazione con beacon (1/2)

intervallo beacon

tmezzo

trasmissivo

AP

busy

B

busy busy busy

B B B

valore del timestamp B trama beacon

Modalità infrastruttura (con AP)

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Sincronizzazione con beacon (2/2)Sincronizzazione con beacon (2/2)Sincronizzazione con beacon (2/2)

tmezzo

trasmissivo

stazione1

busy

B1

intervallo beacon

busy busy busy

B1

valore del timestamp B trama beacon

stazione2B2 B2

ritardo casuale

Modalità ad-hoc

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Risparmio energetico (1/2)Risparmio energetico (1/2)Risparmio energetico (1/2)

! Le stazioni possono passare alla modalità di risparmio senzaperdere informazioni

! In presenza di un AP:

L'AP mantiene un registro aggiornato delle stazioni in modalità dirisparmio, e memorizza i pacchetti indirizzati a queste stazioni, fino aquando esse non facciano esplicita richiesta di tali pacchetti

L'AP trasmette periodicamente nel pacchetto di beacon la lista dellestazioni in risparmio energetico (PS STA) che hanno pacchetti in codanell'AP

Le stazioni si svegliano periodicamente allo scopo di ricevere il pacchettodi beacon

Se nel beacon c'è l'indicazione che alcuni pacchetti indirizzati allastazione si trovano nell'AP, la stazione rimane sveglia e invia unmessaggio di polling all'AP, per richiedere l'invio dei pacchetti stessi

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Risparmio energetico (2/2)Risparmio energetico (2/2)Risparmio energetico (2/2)

! Modalità infrastruttura

Traffic Indication Map (TIM)

Lista dei ricevitori unicast, trasmessa dall’AP

Delivery Traffic Indication Map (DTIM)

Lista dei ricevitori broadcast/multicast, trasmessa dall’AP

! Modalità ad-hoc

Una delle stazioni assume il ruolo di beacon master, e non va inmodalità di risparmio

Il ruolo di beacon master viene assunto a rotazione da tutte le stazioni

Ad-hoc Traffic Indication Map (ATIM)

Inviato da una stazione per comunicare l’intenzione di trasmettere versoun’altra stazione

E’ possibile la collisione tra ATIM

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RE - modalità infrastrutturaRE - modalitRE - modalitàà infrastruttura infrastruttura

TIM interval

t

medium

access

point

busy

D

busy busy busy

T T D

T TIM D DTIM

DTIM interval

BB

B broadcast/multicast

station

awake

p PS poll

p

d

d

ddata transmission

to/from the station

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RE - modalità ad-hocRE - modalitRE - modalitàà ad-hoc ad-hoc

awake

A transmit ATIM D transmit data

t

station1B1 B1

B beacon frame

station2B2 B2

random delay

A

a

D

d

ATIM

window beacon interval

a acknowledge ATIM d acknowledge data

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Roaming (1/3)Roaming (1/3)Roaming (1/3)

! Le trame di beacon trasmesse dall’AP possono essereimpiegate dalle stazioni per scegliere l’AP, e per deciderequando effettuare un handover

! Scansione passiva

La stazione ascolta le trame di beacon dell’AP al quale è associata

La stazione ascolta le trame di beacon di altri AP, allo scopo di trovare unaccesso di qualità migliore

! Scansione attiva

La stazione invia trame PROBE all’AP, e attende la risposta, allo scopodi trovare un accesso di qualità migliore ad un nuovo AP

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Roaming (2/3)Roaming (2/3)Roaming (2/3)

! Reassociation Request

La stazione invia la richiesta ad un AP al quale vuole associarsi

! Reassociation Response

Successo: l’AP risponde, l’associazione può aver luogo

Fallimento: la scansione continua

! In caso di successo:

L’AP segnala la nuova associazione al Distribution system

Il Distribution system aggiorna la sua base dati

Il Distribution system informa il vecchio AP, che così può rilasciare lerisorse

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Roaming (3/3)Roaming (3/3)Roaming (3/3)

! Analisi della qualità della comunicazione (CQ)

Vengono analizzati i seguenti parametri:

Receive signal strength indicator (RSSI)

Numero di ritrasmissioni dalla stazione all’AP (ACK timeout); questa misuraè fornita dal MAC

Numero di messaggi duplicati ricevuti dall’AP (ACK perduti); questa misuraè fornita dal MAC

Per determinare il valore di CQ viene effettuata una media mobile dellemisure effettuate sulle trame di beacon

! Valori di soglia

Vengono definiti valori di soglia sui quali basare la decisione di effettuareil roaming

Per evitare roaming troppo frequenti si impiega un meccanismo diisteresi

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As the mobile user roams away from one AP and closer to another,

the WLAN NIC will automatically “re-associate” with the closer AP

to maintain reliable performance.

Roams between APs

Basic roamingBasic roamingBasic roaming

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Roaming supportRoaming supportRoaming support

! Everyone has basic roaming between Access Points

! Ways to offer extended roaming between subnets:

Mobile IP used by Cisco and Lucent

Increases traffic on wired net

Adds latency to network sessions

DHCP

New IP address upon suspend/resume or shutdown

! IEEE 802.11 does not define roaming process. It just identifiesa criteria for using multiple APs

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…across AP’s and router

boundaries using DHCP

Extended RoamingExtended RoamingExtended Roaming

Building 2Building 1

CoreBuilder 9000

SuperStack 3 Switch

Switch 4005

Basic Roaming

Internet

Desktop

In Conference

Room

In Lobby

Extended

Roaming

SuperStack 3 Switch

SuperStack 3 Switches

SuperStack® 3 Switches

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Portata - basic accessPortata - basic accessPortata - basic access

0 5 10 15 20 25 300

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Lpack=1024 bytes

512 bytes

256 bytes

128 bytes

64 bytes

Numero di STA, N

Po

rta

ta m

ed

ia m

as

sim

a

802.11b

Basic Access @ 11 Mbps

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Portata - RTS/CTSPortata - RTS/CTSPortata - RTS/CTS

0 5 10 15 20 25 300

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Lpack=1024 bytes

512 bytes

256 bytes

128 bytes

64 bytes

Numero di STA, N

Po

rta

ta m

ed

ia m

as

sim

a

802.11b

RTS/CTS mode @ 11 Mbps

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Probabilità di collisioneProbabilitProbabilitàà di collisione di collisione

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0 5 10 15 20 25 30

Numero di STA, N

Po

rta

ta m

ed

ia m

as

sim

a802.11b

Probabilità dicollisionecondizionata allatrasmissione

Probabilità dicollisione noncondizionata