Drahtlose LANs (2. Teil) HiperLAN/1 HiperLAN/2

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1 Drahtlose LANs (2. Teil) HiperLAN/1 HiperLAN/2
Mobilkommunikation: Drahtlose LANs 7.0.2

2 Bitübertragungsschicht
ETSI - HIPERLAN ETSI-Standard europäischer Standard, vgl. GSM, DECT, ... Ergänzung lokaler Netze und Ankopplung an Festnetze zeitkritische Dienste von Anfang an integriert HIPERLAN-Familie ein Standard kann nicht alle Anforderungen abdecken Reichweite, Bandbreite, Dienstgüteunterstützung kommerzielle Rahmenbedingungen HIPERLAN verabschiedet Medium Access Control Layer Höhere Schichten Channel Access Control Layer Sicherungsschicht Physical Layer Bitübertragungsschicht HIPERLAN-Schichten OSI-Schichten Mobilkommunikation: Drahtlose LANs 7.19.1

3 Übersicht: ursprüngliche HIPERLAN-Familie
Hier interessiert uns nur HIPERLAN 1 (=HIPERLAN) Mobilkommunikation: Drahtlose LANs 7.20.2

4 HIPERLAN 1 - Merkmale Datenübertragung Dienste Topologie
Punkt-zu-Punkt (unicast) , Punkt-zu-Mehrpunkt (multicast) 23,5MBit/s, 1W/100mW Sendeleistung, 2383 Byte Paketgröße Dienste Asynchrone und zeitbegrenzte Dienste durch Prioritäten kompatibel mit ISO MAC Topologie Infrastruktur- oder ad-hoc-Netzwerk Reichweite kann über die eines mobilen Knotens hinausgehen („forwarding“ kann in Knoten integriert sein) Sonstige Mechanismen Energiesparmodi, Verschlüsselung, Prüfsummenberechnung Mobilkommunikation: Drahtlose LANs 7.21.2

5 HIPERLAN 1 - Dienste und Protokolle
MAC MAC-Dienst, kompatibel mit ISO MAC und ISO MAC Brücken Benutzung von HIPERLAN CAC Multi-Hop Forwarding CAC Definition eines Kommunikationsdienstes über ein geteiltes Medium Spezifikation von Zugriffsprioritäten Versteckt die Eigenheiten von HIPERLAN Physical Protocol Übertragungs und Empfangsmechanismen, Signalkodierung Mobilkommunikation: Drahtlose LANs 7.22.1

6 HIPERLAN Schichten, Dienste und Protokolle
LLC layer MSDU MSDU MAC service MSAP MSAP HMPDU HM-entity HM-entity MAC layer MAC protocol HCSDU HCSDU CAC service HCSAP HCSAP HCPDU HC-entity HC-entity CAC layer CAC protocol PHY service data bursts HP-entity HP-entity PHY layer PHY protocol Mobilkommunikation: Drahtlose LANs 7.44.1

7 HIPERLAN 1 - Physikalische Schicht
Aufgaben Modulation, Demodulation, Bit und Rahmensynchronisation Vorwärtsfehlerkorrekturmaßnahmen Messung der Signalstärke Erkennung der Belegung eines Kanals Kanäle Standard sieht 3 verpflichtende und 2 optionale Kanäle mit den zugehörigen Trägerfrequenzen vor verpflichtend Kanal 0: 5, GHz Kanal 1: 5, GHz Kanal 2: 5, GHz optional (nicht in allen Ländern erlaubt) Kanal 3: 5, GHz Kanal 4: 5, GHz Mobilkommunikation: Drahtlose LANs 7.23.1

8 HIPERLAN 1 - PHY - Rahmencharakteristik
Aufrechterhaltung der hohen Datenrate von 23,5Mbit/s kostet viel Energie - fatal für portable Geräte daher wird einem Paket ein Kopf niedriger Bitrate vorangestellt, der alle Informationen über den Empfänger der Nachricht beinhaltet nur betroffene Empfänger fahren mit dem Empfang fort Rahmenstruktur LBR (Low Bit-Rate) Kopf mit 1,4Mbit/s 450bit Synchronisation mindestens 1, maximal 47 Datenblöcke zu 496bit für Bewegungsgeschwindigkeiten über 1,4m/s muß die Maximalzahl von Datenblöcken verringert werden Modulation GMSK für hohe Bitrate, FSK für LBR-Kopf LBR Synch Daten0 Daten1 Datenm-1 . . . Mobilkommunikation: Drahtlose LANs 7.24.2

9 HIPERLAN 1 - CAC - Unterschicht
Channel Access Control (CAC) Sicherstellen, dass nicht auf unerlaubte Kanäle zugegriffen wird Prioritätsschema, Zugriff mit Elemination-Yield Non-Preemtive Priority Multiple Access (EY-NPMA) Prioritäten 5 Prioritätsstufen, realisieren Dienstgüte Dienstgüte wird in eine Prioritätsstufe mit Hilfe der Paketlebenszeit (durch Anwendung gesetzt) umgerechnet Paketlebenszeit = Zeit innerhalb derer es Sinn macht, das Paket an einen Empfänger zu übertragen Standardwert 500ms, maximal 16000ms kann das Paket aufgrund seiner aktuellen Priorität noch nicht gesendet werden, so wird die Wartezeit permanent von der Lebenszeit abgezogen basierend auf MAC Priorität, verbleibender Paketlebenszeit, und erwarteter Anzahl der Zwischenstationen bis zum Empfänger wird eine der 5 Prioritäten zugewiesen damit steigt die Priorität wartender Pakete automatisch an Mobilkommunikation: Drahtlose LANs 7.26.2

10 HIPERLAN 1 - EY-NPMA I EY-NPMA (Elimination Yield Nonpreemptive Priority Multiple Access) 3 Phasen: Prioritätsfindung, Wettbewerb, Übertragung Übertragung Synchronisation Prioritätsfindung Wettbewerb Übertragung Auslöschungs- überprüfung Prioritätserkennung Prioritätssicherung Auslöschung Yield Nutzdaten t Mobilkommunikation: Drahtlose LANs 7.27.3

11 HIPERLAN 1 - EY-NPMA II Prioritätsfindung Prioritätserkennung
jede Priorität entspricht einem Sendezeitpunkt in der ersten Phase, die höchste Priorität hat den frühesten Zeitpunkt, die niedrigste den spätesten jede Station hört entsprechend der Priorität (Priorität*168) Bit in das Medium hinein wenn nichts gehört, weiter, ansonsten eliminiert Prioritätssicherung Sende Burst mit markantem Bitmuster Resultat Sendewünsche mit höherer Priorität können nicht verdrängt werden liegt kein solcher Wunsch vor (nicht belegter Zeitschlitz für eine höhere Priorität), so kann die nächst niedrigere senden am Ende der Phase ist die höchste aktuelle Priorität bestimmt es können mehrere Station der gleichen Priorität sendewillig sein! Mobilkommunikation: Drahtlose LANs

12 HIPERLAN 1 - EY-NPMA III Wettbewerbsphase Auslöschung:
Elimination Burst: Wettbewerber senden einen Burst, um Konkurrenten zu eliminieren ( , hohe Rate) alle 212 Bit wird zufällig bestimmt ob man weiter sendet (p=0,5) Auslöschungsüberprüfung: Elimination Survival Verification: Wettbewerber hören nun in den Kanal, ist dieser frei, so dürfen sie fortfahren, ansonsten wurden sie „eliminiert“ Yield: zufälliges Warten zwischen 0 und 9 Slot Zeiten (a 168 Bit) wenn dann noch frei, senden! Datenübertragung Der Sieger darf übertragen (sehr kleine Wahrscheinlichkeit der Kollision bleibt) War der Kanal längere Zeit ruhig (min. 1700bit-Dauern) kann sofort gesendet werden ohne EY-NPMA Synchronisation anhand der letzten Datenübertragung Mobilkommunikation: Drahtlose LANs 7.28.2

13 HIPERLAN 1 - DT-HCPDU/AK-HCPDU
1 2 3 4 5 6 7 bit LBR 1 1 1 1 1 2 3 4 5 6 7 bit 1 HI AID LBR 1 1 1 1 AID AIDCS 1 HI HDA Bestätigungs HCPDU HDA HDACS BLIR = n BL- HI: HBR-part Indicator HDA: Hashed Destination HCSAP Address HDACS: HDA CheckSum BLIR: Block Length Indicator Replica BLIRCS: BLIR CheckSum TI: Type Indicator BLI: Block Length Indicator PLI: Padding Length Indicator HID: HIPERLAN IDentifier DA: Destination Address SA: Source Address UD: User Data ( byte) PAD: PADding CS: CheckSum AID: Acknowledgement IDentifier AIDS: AID CheckSum IRCS 1 bit 1 2 3 4 5 6 7 byte HBR TI BLI = n 1 PLI = m 2 HID 3 - 6 DA 7 - 12 SA UD 19 - (52n-m-4) PAD (52n-m-3) - (52n-4) CS (52n-3) - 52n Daten HCPDU Mobilkommunikation: Drahtlose LANs 7.45.1

14 HIPERLAN 1 - MAC-Schicht
Kompatibel mit ISO MAC Unterstützt zeitbegrenzte Dienste über Prioritätsschema Paketweiterleitung Unterstützung von gezieltem (Punkt-zu-Punkt) oder Broadcast-Weiterleiten (falls keine Weginformationen vorhanden) Unterstützung von Dienstgüte bei der Weiterleitung HM-UNITDATA.req(Quelladresse, Zieladresse, MSDU, Priorität, MSDU-Lebensdauer) HM-UNITDATA.ind(Quelladresse, Zieladresse, MSDU, Priorität, MSDU-Lebensdauer, verbleibende MSDU-Lebensdauer) Mobilkommunikation: Drahtlose LANs 7.25.2

15 HIPERLAN 1 - MAC-Schicht II
Wie wird die nächste PDU in einer Station ausgewählt? dazu ist eine Abbildung von (Priorität, Restlebenszeit) auf die CAC Prioritäten (0-4) notwendig bestimme die normalisierte Restlebenszeit (NRL) = Restlebenszeit dividiert durch die erwartete Anzahl der Zwischenstationen dann Abbildung wie in Tabelle: NRL M-Priorität=0 M-Priorität=1 NRL<10ms 1 10 ms  NRL < 20 ms 2 20 ms  NRL < 40 ms 3 40 ms  NRL < 80 ms 4 80 ms  NRL Mobilkommunikation: Drahtlose LANs

16 HIPERLAN 1 - MAC-Schicht III
Verschlüsselungsmechanismen Integrierte Mechanismen, nicht jedoch Schlüsselverwaltung einfaches XOR-Schema, mit Pseude-Zufallszahlten Initialisierung für den Zufallszahlengenerator = Schlüssel schwach!!! Energiesparmechanismen Mobile Endgeräte können „Wachmuster“ vereinbaren, d.h. Zeitpunkte, zu denen sie Pakete empfangen können Zusätzlich müssen Knoten vorhanden sein, die Daten für schlafende Knoten aufbewahren und zum richtigen Zeitpunkt weiterleiten (sog. Stores) Mobilkommunikation: Drahtlose LANs

17 HIPERLAN 1 - DT-HMPDU Daten HMPDU LI: Length Indicator
TI: Type Indicator (1=Data) RL: Residual Lifetime PSN: Sequence Number DA: Destination Address SA: Source Address ADA: Alias Destination Address ASA: Alias Source Address UP: User Priority ML: MSDU Lifetime KID: Key Identifier IV: Initialization Vector UD: User Data, 1–2383 byte SC: Sanity Check (for the unencrypted PDU) bit 1 2 3 4 5 6 7 byte LI = n 1 - 2 TI = 1 3 RL 4 - 5 PSN 6 - 7 DA 8 - 13 SA ADA ASA UP ML 32 ML 33 KID IV 34 IV UD 38 - (n-2) SC (n-1) - n n= 40–2422 Daten HMPDU Mobilkommunikation: Drahtlose LANs 7.29.2

18 HIPERLAN 1 als Ad-Hoc-Netzwerk
HIPERLAN unterstützt Ad-Hoc-Funktionalität: über mehrere Stationen hinweg (multihop) zur Infrastrukturlosen Kommunikation und als Erweiterung des Sendebereichs einer Basisstation verwendet viele Informationen und komplexes Verfahren hier nur die prinzipielle Idee Routing in mobilen Ad-Hoc-Netzen, siehe später! Im weiteren: Forwarder = Station mit der Fähigkeit Pakete weiterzuleiten Mobilkommunikation: Drahtlose LANs

19 Ad-hoc Netzwerke mit HIPERLAN 1
Information Bases (IB): RIB: Routing NIB: Neighbourhood HIB: Hello AIB: Alias SMRIB: Source Multipoint Relay TIB: Topology DDIB: Duplicate Detection HIPERLAN A RIB NIB HIB AIB DDIB 2 1 Forwarder RIB NIB HIB AIB SMRIB TIB DDIB 4 3 Forwarder RIB NIB HIB AIB DDIB 5 RIB NIB HIB AIB DDIB RIB NIB HIB AIB SMRIB TIB DDIB RIB NIB HIB AIB SMRIB TIB DDIB 6 Nachbarschaft (d.h. in Funkreichweite) Forwarder HIPERLAN B Mobilkommunikation: Drahtlose LANs 7.30.3

20 Information Datenbasen in HIPERLAN-Knoten
Route Information Base (RIB) - wie kann ein Ziel erreicht werden? [destination, next hop, distance] dies ist eine Routingtabelle! wie kommt man zu dieser? Neighbor Information Base (NIB) - Status der direkten Nachbarn [neighbor, status] asymmetrisch symmetrisch Weiterleiter (MultiRelay) wird mindestens einmal alle 10 Sekunden an alle Nachbarn übertragen Hello Information Base (HIB) - Status des Ziels (über den nächsten Knoten) [destination, status, next hop] H_NeighborNF: destination ist Nachbar und leitet keine Pakete weiter H_NeighborF: destination ist Nachbar und leitet Pakete weiter H_TwoHop: destination ist zwei Hops weit entfernt und kann über den direkten Nachbarn next hop erreicht werden Mobilkommunikation: Drahtlose LANs 7.46.1

21 Information Datenbasen in HIPERLAN-Knoten
Alias Information Base (AIB) - Adressen von Knoten außerhalb des Netzes [original MSAP address, alias MSAP address] Abbildung von Adressen ausserhalb des Hiperlans auf eine Hiperlanadresse (die dann als eine Art Gateway arbeitet) Source Multipoint Relay Information Base (SMRIB) - derzeitiger MP Status [source multipoint relay, sequence] jeder Forwarder merkt sich die Stationen, die ihn als Forwarder verwenden diese Information wird an alle Forwarder geflutet (alle 40 Sekunden) Topology Information Base (TIB) - derzeitige HIPERLAN-Topologie [destination, forwarder, sequence] vollständige Topologieinfos, d.h. daraus wird dann dann die RIB berechnen Duplicate Detection Information Base (DDIB) - Erkennung von Duplikaten [source, sequence] Mobilkommunikation: Drahtlose LANs 7.46.1

22 HiperLAN/2 Alle Informationen und Abbildungen entstammen dem Whitepaper von Martin Johnsson: HiperLAN2 – The Broadband Radio Transmission Technology Operating in the 5 GHz Frequency Band, HiperLAN/2: - drahtloses lokales Netz - sehr hohe Datenraten - spezifiziert: HiperLan2 Global Forum Mobilkommunikation: Drahtlose LANs

23 HiperLAN/2 vs. IEEE802.11 Mobilkommunikation: Drahtlose LANs

24 HiperLAN/2 Physical Layer
Orthogonal Frequency Division Multiplex: - Daten werden auf mehrere Träger (subcarrier) aufgeteilt und übertragen - flexibel und robust gegen Störungen eines Trägers - wird auch in ADSL und DAB verwendet Modulationsarten: Mobilkommunikation: Drahtlose LANs

25 HiperLAN/2 MAC Prinzipiell Verbindungsorientiert!
Bislang nur zwischen Basistation und Mobilstation. Es wird Time Division Duplex (TDD) und dynamic Time-Division Multiple Access verwendet: Mobilkommunikation: Drahtlose LANs

26 HiperLAN/2 MAC Kanäle im MAC:
- BCH Broadcast Channel: Steuerung der Leistung, Aufwecken schlafender Mobilstationen, Vergabe eindeutiger Identifizierer - FCH Framecontrol Channel: Beschreibung der aktuellen Ressourcenverteilung - RCH Random Access Channel: hier signalisieren Mobilstationen ihre Ressourcenbedürfnisse - ACH Access Feedback Channel: Rückmeldung bezüglich Resourcenbedürfnisse - DL/UL Phase Downlink/Uplink Phase: Datenübertragung, wird in mehrere logische Kanäle untergliedert: - Nutzerdaten - Verbindungsmanagement - und mehr Mobilkommunikation: Drahtlose LANs

27 HiperLAN/2 Verbindungsmanagement
Verbindungsaufbau: - Mobilstation lauscht auf BCH aller Basisstationen - wähle diejenige mit dem besten Empfang - Anfrage einer MAC ID von der Basisstation - dann aushandeln aller Parameter (DL/UL Phase) Verbindungsabbau: - durch explizite Nachricht - durch timeout Mobilkommunikation: Drahtlose LANs

28 HiperLAN/2 Ausblick Durch QoS Unterstützung für Multimedia interessant. Erste Produkte wurden auf der CEBIT 2002 gezeigt. Könnte Zukunft haben. Schwere Konkurrenz durch IEEE802.11 Mobilkommunikation: Drahtlose LANs