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

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. May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

IEEE Institute of Eletrical and Electronics Engineers, Inc. Größte techinische Vereinigung: >300000 Mitglieder in über 150 Ländern. Gegründet 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. May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

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). May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

IEEE 802 Architektur aus: Tanenbaum, Computer Networks 802.2: Logical Link Control verbirgt die Unterschiede zwischen den verschiedenen 802 MACs. 3 Dienstoptionen: ‘best effort’, ‘acknowledged’, ‘reliable connection-oriented’ May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

802.11 Design Ziele Drahtloses lokales Netz mit ‘Look and feel’ wie 802.3. Unter derselben LLC. Mobilitäts-Unterstützung. “Ethernet on Air” May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Unterschiede ‘drahtlos’-‘leitungsgebunden’ 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. May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Ray-Tracing Studie “Medium Variations” © IEEE May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Struktur der Vorlesung (1) 802.11 Systemarchitektur 802.11 Protokollarchitektur 802.11 Physical Layer Übersicht DSSS etc. May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Struktur der Vorlesung (2) MAC Schicht Sicherheit Roaming May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

IEEE 802.11 Systemarchitektur (1) Komponenten, Dienste ... Nomenklatur! Stations: enthalten (IEEE 802.11 spezifisch) PHY und MAC Schicht, d.h. funktechnische Funktionen und Mechanismen für den Medienzugriff. Dienste: authentication deauthentication privacy data delivery May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

IEEE 802.11 Systemarchitektur (2) 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 May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

IEEE 802.11 Systemarchitektur (3) 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? May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

IEEE 802.11 Systemarchitektur (4) Distribution System Portal 802.x LAN 802.11 LAN BSS1 Access Point STA1 BSS2 STA2 STA3 ESS IEEE 802.11 definiert dafür access points, distribution system, portals und distribution services. May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

IEEE 802.11 Systemarchitektur (5) Access point: eine station, die distribution services anbietet. Ein distribution system verbindet APs miteinander. Distribution services: association reassociation disassociation distribution integration May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

IEEE 802.11 Systemarchitektur (6) 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’. May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

IEEE 802.11 Systemarchitektur (7) 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 ... May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

IEEE 802.11 Systemarchitektur (8) Distribution Services Integration service: Der Integration service verbindet ein IEEE 802.11 WLAN mit anderen LANs. Ein portal führt den IS aus. May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

IEEE 802.11 Systemarchitektur (9) 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 May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

IEEE 802.11 Systemarchitektur (10) Extended Service Set: Menge von Infrastructure BSSs, die durch ein DS miteinander verbunden sind. 802.11 LAN STA1 BSS1 Access Point Distribution System Access Point 802.11 LAN BSS2 STA2 STA3 ESS May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

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 May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

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. May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

IEEE 802.11 Protokollarchitektur (1) PMD Physical Medium Dependent PLCP Physical Layer Convergence Protocol MAC Medium Access Control LLC Logical Link Control MAC Management PHY Management PHY Station Management MAC_SAP PHY_SAP PMD_SAP May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

IEEE 802.11 Protokollarchitektur (2) MAC Dienste: Datendienst, Sicherheitsdienst Funktionen: Medienzugriff, Fragmentierung, Verschlüsselung. MAC Management Authentifizierung Assoziierung Energiesparmechanismus (power management) Synchronisierung Roaming MIB May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

IEEE 802.11 Protokollarchitektur (3) PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) Clear Channel Assessment PMD (Physical Medium Dependent) Codierung/Decodierung, Modulation PHY Management PHY MIB, Kanalwahl Station management Steuerung von Brückenfunktionen, Interaktion mit Distribution System May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

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 Frequency Division Multiplexing, (5GHz) 802.11b: 5.5 und 11 Mbits High Rate DSSS May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

UNNI: Unlicensed National Information Infrastructure 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 Mm 300 Hz 10 km 30 kHz 100 m 3 MHz 1 m 300 MHz 10 mm 30 GHz 100 m 3 THz 1 m 300 THz VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Infrarot UV UNNI: Unlicensed National Information Infrastructure May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

DSSS PHY (1) DSSS-PLCP Rahmen: Synchronisation SFD Signal Dienst HEC Nutzlast PLCP-Präambel @ 1Mbps PLCP-Paketkopf 128 16 8 variabel Bits Länge MPDU PPDU 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 May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

DSSS PHY (2) [Spread] Modulo-2 Adder DBPSK DQPSK Modulator PPDU Scrambler 11-bit Barker Word 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 May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

DSSS PHY (3) 1 Warum Spread Spectrum? wegen Redundanz scrambling Warum Spread Spectrum? weniger Interferenz Robustheit gegenüber Störungen und Rauschen Robustheit bzgl. ‘time delay spread’ wegen Redundanz May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

DSSS PHY (4) Mehrwege-Ausbreitung führt zu Laufzeitdispersion (delay spread) Home < 50 nsec Office ~ 100 nsec Manufacturing floor 200-300 nsec 802.11 WLAN Radio Transmitter Receiver May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

NEC-J @ Cebit 2001: Radioscape May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Modulation Rate Change Q I 11 01 10 00 Q I 1 Bessere Modulationsverfahren verlangen höheren Signal-zu-Rausch Abstand! Z.B. wenn Rahmen verloren geht, wird die Modulationsrate gesenkt. May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Channels Source: IEEE Tutorial fc - 11 MHz fc - 22 MHz May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

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! May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11

Tutorien ... http://grouper.ieee.org/groups/802/11/ http://www.hpl.hp.com/personal/Jean_Tourrilhes/Linux/Wireless.html May 2001 H. Hartenstein: IEEE 802.11