Fallstudie Wireless LAN
Wireless LAN‐Typen
Wireless LAN mit Infrastruktur Ad‐hoc LAN
Single‐Cell Multiple‐Cell Single‐Hop Multi‐Hop
IEEE 802.11
Der Standard für Wireless LAN ist IEEE 802.11.
IEEE 802 Komitee initiiert 1990 die neue Arbeitsgruppe IEEE 802.11.
Aufgabenfeld sind MAC und PHY für WLAN.
Seither wachsende Anforderungen an WLAN
•
Daraus resultiert eine ganze Familie von WLAN Standards
•
Nummerierungsschema: IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11c usw.
•
Alle basieren auf der IEEE 802.11 Architektur
WiFi‐Alliance: (Wireless‐Fidelity‐Alliance) Industriekonsortium mit einer Test‐
Suite, die die Interoperabilität von 802.11‐Produkten unterschiedlicher
Hersteller zertifiziert.
IEEE 802.11 Architektur
IEEE 802.x LAN
STA 2
Portal
AP STA 1
STA 3
STA 4 Basic
Service Set
STA 6 AP STA 1
STA 7 Basic Service Set Distribution System
Extended Service Set
STA = Station BSS = Basic Service Set DS = Distribution System AP = Access Point IBSS = Independent BSS ESS = Extended Service Set
MAC Layer
IEEE 802.11 MAC
Point Coordination Function (PCF)
Distributed Coordination Function (DCF)
Physical Layer
(802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac, 802.11ad) Contention‐free
Service
Contention Service Logical Link Control (LLC)
CSMA (kein CD, da dies bei drahtloser Kommunikation nicht realisierbar ist)
Grundlende Zugriffsmethode: Data‐ACK‐Zyklus
Optional: RTS‐CTS‐Data‐ACK‐Zyklus [Erinnerung: Vorlesungsabschnitt zu MAC]
IEEE 802.11 MAC: DCF
Frame zu übertragen
Medium frei?
Warte IFS noch
frei?
Sende das Frame
Warte bis Übertragungsende ja
ja
nein
nein
Warte IFS noch
frei?
nein ja
IFS (inter frame space)
• kurze Verzögerung
• es gibt drei IFS‐Längen (siehe gleich) Zum Exponential Backoff:
Wenn während der Backoff‐Zeit das Medium wieder belegt wird, wird der Backoff‐Timer solange angehalten.
Timer läuft weiter, sobald das Medium wieder frei ist.
Exponential Backoff während das Medium frei ist
8. CF‐End 5. Data + CF‐ACK 4. Data + CF‐ACK + CF‐Poll1. Beacon
IEEE 802.11 MAC: PCF
STA 1
AP STA 2
STA 3
PCF: ein Point Coordinator fragt eine Menge an Stationen per Polling ab PCF und DCF in Superframe organisiert 1. Contention‐free Period: PCF
2. Contention Period: DCF
Nach einer Polling‐Runde kann das Medium per DCF genutzt werden.
Letztes Frame der DCF kann in das nächste Superframe hineinragen.
Priorisierung durch die drei IFS‐Längen sichert aber, dass hiernach DCF keine neue Übertragung startet.
PCF (optional) Medium noch belegt PCF (optional)
Superfame Superfame
Verkürztes Superfame
Contention‐free Period Contention Period
DCF
IEEE 802.11 MAC: SIFS, PIFS und DIFS
Medium belegt
Zeit
SIFS PIFS
DIFS
Backoff‐Fenster Nächstes Frame DIFS
Drei verschiedene IFS‐Längen SIFS < PIFS < DIFS ermöglichen priorisierten Medienzugriff
• SIFS (short IFS): für alle unmittelbare Antwortaktionen
• Acknowledgement (ACK): Bestätigung von Unicast Frames
• Clear to Send (CTS): Antwort auf Request to Send (RTS)
• Poll Response: Antwort an Point Coordinator mit Daten oder ACK (falls zutreffend)
• PIFS (point coordination function IFS):
von PCF für zentrale Medienzugriffsskontrolle verwendet
• DIFS (distributed coordination function IFS):
gewöhnliche Wartezeit für Contention‐basierten Medienzugriff
IEEE 802.11 PHY
Standard 802.11a 802.11b 802.11g 802.11n 802.11ac 802.11ad
Einführungsjahr 1999 1999 2003 2000 2012 2014
Maximale Transferrate 54 Mbps 11 Mbps 54 Mbps 65 bis 600 Mbps
78 Mbps bis 3,2 Gbps
6,67 Gbps
Frequenzband 5 GHz 2,4 GHz 2,4 GHz 2,4 oder 5 GHz
5 GHz 60 GHz
Kanalbandbreite 20 MHz 20 MHz 20 MHz 20, 40 MHz 40, 80, 160 MHz
2160 MHz
Höchste Modulationsrate 64 QAM 11 CCK 64 QAM 65 QAM 256 QAM 64 QAM Nutzung des Spektrums DSSS OFDM DSSS, OFDM OFDM SC‐OFDM SC, OFDM Antennenkonfiguration SISO SISO SISO Bis 4x4
MIMO
Bis 8x8 MIMO, MU‐MIMO
SISO
802.11 definiert: Spread‐Spectrum‐LAN (DSSS), OFDM‐LAN und Infrarot‐LAN Verwendung 2,4 GHz oder 5GHz ISM‐Band (Für DSSS und OFDM)
Für neuere ODFM‐Variante auch 60GHz Bemerkung: ISM‐Band
• ISM = Industrial, Scientific and Medical
• Regulierungsbehörden
• Freie Frequenzbänder; dennoch Vorgaben, z.B.: abgestrahlte Leistung, Modulation etc.
Was bedeutet MIMO?
Räumliches Multiplexing
• Daten‐Stream der Quelle wird in n Teilströme auf die Senderantennen aufgeteilt
• Empfänger hat m Antennen über die er die Teilströme per LOS‐Pfad und ggf. noch über Reflexionspfade empfängt
• Empfänger kombiniert hieraus den gesendeten Daten‐Stream
Räumliche Diversität
Der gesamte Datenstrom über alle n Antennen
MIMO zusammen mit OFDM (vgl. Vorlesungsabschnitt MAC) sind die Eckpfeiler moderner breitbandiger Drahtlostechnologien.
Sender Empfänger
n x m MIMO (Multiple Input Multiple Output)
Im Gegensatz zu zu SISO (Single Input Single Output)
[Analog ist auch SIMO und MISO mit der dann offensichtlichen Bedeutung definiert]
Schlussbemerkung: Distanz versus Datenrate
Datenrate (Mbps) 802.11b 802.11a 802.11g
1 90+ ‐ 90+
2 75 ‐ 75
5,5 (b) / 6 (a, g) 60 60+ 65
9 ‐ 50 55
11 (b) / 12 (a, g) 50 45 50
18 ‐ 40 50
24 ‐ 30 45
36 ‐ 25 35
48 ‐ 15 25
54 ‐ 10 20
Wieweit sind maximalen Transferraten erreichbar?
Dies hängt unter anderem vom Signal‐Rauschverhältnis ab (SNR: Singal to Noise Ratio).
Mit wachsender Distanz wird das Signal schwächer und damit die SNR schlechter.
Dargestellt sind beispielhafte zu erreichbaren Datenraten abgeschätzten Distanzen.
