DRAHTLOSE NETZE UND WI- FI

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1 Kapitel 11 DRAHTLOSE NETZE UND WI- FI [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 1

2 Ziele dieses Kapitels ² Ziel des Kapitels ist es, die Grundkonzepte drahtloser KommunikaCon zu verstehen; dazu gehören Grundlagen zu den Themen ª Signal- und Übertragungssysteme ª ModulaCon ² AuMauend studieren wir Prinzipien drahtloser LANs, wie auch deren fundamentale Beschränkungen und erarbeiten uns einen Einblick in die Grundzüge von Wi- Fi [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 2

3 Drahtlose Netze und Wi- Fi ² Signal- und Übertragungssysteme ² ModulaCon ² Konzepte drahtloser Netze ² Medienzugriff von Wi- Fi [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 3

4 ² Signale Signale und Übertragungssysteme ª Signal = Darstellung von InformaConen durch physikalische Größen, z.b. Strom, Spannung, Lichtwellen, elektromagnecsche Feldstärke ª Signalkategorien Signalwerte sind koncnuierlich (beliebige Werte) oder diskret (endlich viele Werte, idealisiert) Zeitverlauf ist koncnuierlich oder diskret analoges Signal ergibt 4 mögliche Signalkategorien, besondere Bedeutung haben: analoge Signale (wert- und zeitkoncnuierlich) S(t) 0 t digitale Signale (wert- und zeitdiskret) S(t) digitales Signal binäre Signale (digital mit zwei Werten) 0 2 t [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 4

5 Signale und Übertragungssysteme ² Leitungskodierung binärer Signale ª Zuordnung von Signalwerten zu Nullen und Einsen einer Bitsequenz bei der Übertragung im Basisband ª Basisbandübertragung: Signale werden direkt auf das Medium gesendet ª mögliche Eigenschaben: selbshaktend: Empfänger kann Sendertakt aus Signal gewinnen gleichstromfrei: kein Gleichanteil im elektrischen Signal Bandbreitenbedarf: Breite des Frequenzbands, um Signal zu übertragen ª im Folgenden einige Verfahren zur Leitungskodierung ª anschließend erfolgt Betrachtung des Signals im Frequenzbereich und Analyse midels Fourierreihe und FouriertransformaCon [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 5

6 Signale und Übertragungssysteme ² Übertragungssystem ª Systemtheorie: mathemacsches Modell zur Beschreibung des Übertragungsverhaltens einer komplexen Anordnung ª TransformaCon eines Eingangssignals s 1 (t) in ein Ausgangssignal s 2 (t) Eingangssignal s 1 (t) Übertragungssystem Ausgangssignal s 2 (t) [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 6

7 Signale und Übertragungssysteme ² Bandbreitenbeschränkung ª jedes Übertragungssystem benöcgt zur Signalübertragung Energie ª ideale Übertragungssysteme dämpfen alle Frequenzen gleichermaßen t s 1 (t) Ideales Übertragungssystem s 2 (t) t ª reale Übertragungssysteme dämpfen Frequenzen unterschiedlich ª Verzerrung des Signals ª meist werden Frequenzen 0.. f c (mehr oder weniger) unverändert übertragen und höhere Frequenzen stark abgeschwächt ( Tiefpass) ª Gründe: Eigenschaben des Übertragungsmediums [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 7

8 Drahtlose Netze und Wi- Fi ² Signal- und Übertragungssysteme ² Modula5on ² Konzepte drahtloser Netze ² Medienzugriff von Wi- Fi [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 8

9 ² ModulaCon ModulaNon ª ModulaCon: Änderung von Parametern (Amplitude, Frequenz, Phase,...) eines Trägersignals durch ein modulierendes/aufgeprägtes Signal ª DemodulaCon: Rückgewinnung des modulierenden Signals aus dem modulierten InformaConsträger ª Modem: ModulaCon und DemodulaCon in einer Einheit ² WichCge ModulaConsarten ª Analog- Analog- Wandlung: analoges modulierendes, analoges Trägersignal, erlaubt Breitbandübertragung mit FrequenzmulCplex (z.b. analoges Fernsehsignal) ª Digital- Analog- Wandlung: digitales modulierendes, analoges Trägersignal (z.b. Daten über Funkkanal) ª Analog- Digital- Wandlung: analoges modulierendes über digitales Trägersignal (z.b. Sprache) [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 9

10 ModulaNon ² Verfahren zur Analog- Analog- Wandlung ª AmplitudenmodulaNon Trägersignal s T (t) ist hochfrequente Sinusschwingung wird mit modulierendem Signal mulcpliziert: s AM (t) = s M (t) s T (t) ª FrequenzmodulaNon Trägersignal wieder Sinusschwingung Frequenz wird moduliert ª PhasenmodulaNon Trägersignal wieder Sinusschwingung Phase wird moduliert S M (t) 0 S T (t) 0 S AM (t) 0 ϖ M t ϖ T A T t t [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 10

11 ModulaNon ² Verfahren zur Digital- Analog- Wandlung ª Amplitudentastung (Amplitude Shib Keying, ASK) 1 = hohe Amplitude 0 = niedrige Amplitude Verwendung für digitale Daten über Glasfaser ª Binäre Frequenzumtastung (Binary Frequency Shib Keying, BFSK): 1 = hohe Frequenz 0 = niedrige Frequenz geeignet für hohe Trägerfrequenzen ª Binäre Phasenumtastung (Binary Phase Shib Keying, PSK) 1 = Phase 0, 0 = Phase 180 robust gegenüber Rauschen (a) ASK (b) BFSK (c) BPSK [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 11

12 ModulaNon ª MulCple FSK (MFSK): mehrere Frequenzen, Signalwert repräsencert mehr als ein Bit ª DifferenCal BPSK (DBPSK): 1 = Phasenwechsel, 0 = kein Wechsel, benöcgt keine genaue Synchronisierung ª Quadrature PSK (QPSK) Phasen ϕ1 = 45, ϕ2 = 135, ϕ3 = 225, ϕ4 = 315 Signalwert repräsencert 2 Bits im Phasenraum entspricht jeder Punkt einer Amplitude und Phase ϕ1 ϕ4 ª MulClevel PSK (MPSK) Verallgemeinerung zu n Phasen Signal enthält log 2 n Bits ϕ [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 12

13 ModulaNon ª QuadraturamplitudenmodulaCon (Quadrature Amplitude ModulaCon, QAM) KombinaCon von ASK und PSK Signal kann zwischen verschiedenen Phasen und Amplituden wechseln: Schritt n Schritt n a φ Punkte werden in gleichen Abständen im Phasenraum verteilt KonstellaConen mit 16, 64, 256 Punkten verbreitete Verwendung [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 13

14 ModulaNon ª Mehrträgerverfahren: Discrete MulCtone Transmission (DMT), Orthogonal Frequency Division MulCplexing (OFDM) Frequenzband wird in Subkanäle zerteilt zu übertragendes Signal wird in Symbole aufgeteilt, die in den Subkanälen parallel übertragen werden ModulaCon in jedem Subkanal, z.b. QAM (Quadrature Amplitude ModulaCon), jeweils angepasst an Rauschabstand in Subkanal z.b. ADSL mit 255 Subkanälen: Überlappung der Subkanäle durch orthogonale Schwingungen möglich Verwendung u.a. in IEEE [agp], Bluetooth 3.0, WiMAX große Leistungssteigerung [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 14

15 Drahtlose Netze und Wi- Fi ² Signal- und Übertragungssysteme ² ModulaCon ² Konzepte drahtloser Netze ² Medienzugriff von Wi- Fi [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 15

16 Drahtlose LANs ² CharakterisCka von FunkkommunikaCon ª Schwund der Signalstärke ca. quadracsch mit Envernung, abhängig von Umgebung (Long- Range Fading) ª Interferenzen durch andere Sender (drahtlose Netze, schnurlose und mobile Telefone, Mikrowellenöfen, Motoren,...) ª Mehrwegausbreitung: Funkwellen werden reflekcert, phasenverschobene Wellen überlagern sich und schwächen sich kurzfriscg ab bzw. löschen sich aus (Short- Range Fading) ª höhere Fehlerrate, insbesondere als Bursts [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 16

17 Drahtlose LANs ² Hidden- Terminal Problem: ª A, B hören sich ª C, B hören sich ª A, C hören sich nicht, A und C wissen nichts von möglichen Kollisionen bei B A C B ª genauso möglich durch Signaldämpfung: A B C A s signal strength C s signal strength space [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 17

18 ² Exposed- Terminal Problem ª A, B 1 und C, B 2 hören sich ª B 1, B 2 hören sich Drahtlose LANs ª A, B 2 sowie C, B 1 hören sich nicht ª während B 1 an A sendet, könnte B 2 an C senden A B 1 C B 2 [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 18

19 Drahtlose LANs ² Drahtlose LANs nach IEEE ª ursprünglich 1-2 Mbps, Funk (Direct Sequence + Frequency Hopping Spreiztechnik), auch Infrarot ª Weiterentwicklung: Ergänzungen in diversen Arbeitsgruppen, 11b (11 Mbps), 11g (54 Mbps), 11i (Sicherheit), 11e (Quality- of- Service), 11p (Car- to- X), 11n (>54 Mbps), 11ac (>300 Mbps), ª 3 Betriebsmodi: Infrastrukturnetz (Access Points, DistribuCon Service), Ad- Hoc- Netz, Broadcast (OCB Mode) ª Medienzugriff: CSMA/CA (Collision Avoidance) 2 Varianten: Basic Access, RTS/CTS- Austausch ª Energiesparen: Schlafphasen, synchronisiertes Aufwachen [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 19

20 Channel selecnon in 2.4 GHz Band (non- overlapping) Europe (ETSI) channel 1 channel 7 channel MHz [MHz] US (FCC)/Canada (IC) channel 1 channel 6 channel MHz [MHz] [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 20

21 Architektur eines Infrastrukturnetzes ² ² ² ² ² StaCon (STA) ª Rechner mit ZugriffsfunkCon auf das drahtlose Medium und Funk- kontakt zum Access Point Basic Service Set (BSS) ª Gruppe von StaConen, die dieselbe Funkfrequenz nutzen Zugangspunkt, Access Point (AP) ª Portal ª StaCon, die sowohl in das Funk- LAN als auch das verbindende Netz (DistribuCon System) integriert ist Übergang in ein anderes Festnetz DistribuCon System (DS) ª Verbindung von BSSs zu einem Netz (ESS: Extended Service Set) ª Verbindung der APs über Schicht 2, gleiches IP- Subnetz ª Interoperabilität proprietär oder f ª auch drahtlos ESS STA LAN BSS 1 STA 2 Access Point BSS 2 Portal Distribution System Access Point LAN 802.x LAN STA 3 [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 21

22 Architektur eines Ad- Hoc- Netzes ² StaCon (STA) LAN ª Rechner mit ZugriffsfunkCon auf das drahtlose Medium STA 1 ² Independent Basic Service Set (IBSS) IBSS 1 STA 3 ª Gruppe von StaConen, die dieselbe Funkfrequenz nutzen STA 2 IBSS 2 STA 5 STA LAN [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 22

23 ² Physikalische Varianten Drahtlose LANs Frequency Band Bit Rate Modulation Scheme GHz 1-2 Mbps Frequency-Hopping Spread Spectrum, Direct Sequence Spread Spectrum b 2.4 GHz 11 Mbps Complementary Code Keying & QPSK g 2.4 GHz 54 Mbps Orthogonal Frequency Division Multiplexing & CCK for backward compatibility with b a 5-6 GHz 54 Mbps Orthogonal Frequency Division Multiplexing [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 23

24 Drahtlose Netze und Wi- Fi ² Signal- und Übertragungssysteme ² ModulaCon ² Konzepte drahtloser Netze ² Medienzugriff von Wi- Fi [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 24

25 Drahtlose LANs: MAC Bytes ² MAC- Rahmenformat ª Rahmensteuerung Frame Control Type: Management (00), Steuerung (01), Daten (10) Subtype: AssociaCon Request, Data, ACK, RTS, CTS, ª Belegungsdauer des Mediums in µs (für RTS/CTS) oder ID ª 4 physikalische Adressen: Empfänger, Sender, weitere Adressen ª Sequenznummern für ARQ ª Daten, CRC Duration/ ID Address 1 Address 2 Address 3 Sequence Control Address 4 Data CRC Bits Protocol version Type Subtype To DS From DS More Frag Retry Power Mgmt More Data WEP Order [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 25

26 Drahtlose LANs: MAC ² InterpretaCon der 4 Adressen ª IdenCfikaCon der STAs und APs durch physikalische Adresse ª Service Set IDs (SSIDs): IdenCfikaCon des BSS: zufällige physikalische Adresse bei Ad- Hoc- Netzen, Adressen der APs in Infrastrukturnetzen ª abhängig von der Rahmenart werden DS- Bits gesetzt und Adressen unterschiedlich inteprecert: Rahmenart fromds to DS Address 1 Address 2 Address 3 Address 4 Ad-Hoc-Netz, 0 0 Empfänger Sender- zufällige - STA STA -STA STA BSSID Infrastrukturnetz, 1 0 AP Sender- Empfänger - STA AP STA -STA Infrastrukturnetz, AP AP 1 1 Ziel-AP Quell-AP Empfänger -STA Sender- STA Infrastrukturnetz, AP STA 0 1 Empfänger -STA AP Sender- STA - [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 26

27 Drahtlose LANs: MAC ² Medienzugriff gemäß Basic Access ª wenn die MAC- Schicht einer StaCon von der Netzwerkschicht ein Datagramm erhält, überprüb sie das Medium (listen before talking); wenn es eine Zeitdauer DIFS (DistribuNon Interframe Space) frei ist, wird der Rahmen gesendet, sonst geht sie in Backoff ª wenn der Empfänger ihn fehlerlos erhält, wartet er eine Zeitdauer SIFS (Short Interframe Space), dann sendet er eine posicve BestäCgung (ACK) zurück ª wenn nach einem Timeout kein ACK zurückkommt, geht der Sender in Backoff ª Truncated Binary ExponenCal Backoff: abhängig von Anzahl der Kollisionen würfelt der Sender eine zufällige Wartezeit, reduziert sie solange das Medium frei ist und wiederholt dann die Sendung ª Variante von nicht- persistentem CSMA/CA [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 27

28 Drahtlose LANs. MAC ² Zeitablauf beim Medienzugriff: DIFS Medium belegt DIFS PIFS SIFS Wettbewerbsfenster (zufälliger Backoff- Mechanismus) nächster Rahmen Wartezeit Zeitschlitz (20 µs) t [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 28

29 ² Beispielablauf 1 Drahtlose LANs: MAC ª zwei StaConen wollen zu ähnlicher Zeit senden, durch DIFS wird Kollision vermieden: data DIFS header + data + CRC DIFS data ACK header + data + CRC SIFS DIFS suspended slot counter = random [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 29

30 ² Beispielablauf 2 Drahtlose LANs: MAC ª zwei StaConen wollen fast gleichzeicg senden, Unterschied kleiner als Ausbreitungsverzögerung à eine Kollision entsteht data DIFS header + data + CRC header + data + CRC DIFS data timeout slot counter = random 1 0 DIFS header + data + CRC ACK DIFS SIFS DIFS slot counter = random suspended 3 [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 30

31 ² RTS/CTS- Austausch Drahtlose LANs: MAC ª vorheriger Austausch von kurzen Reservierungsnachrichten ª Sender sendet Request- To- Send (RTS) mit Länge des Rahmens, Empfänger (StaCon bei Ad- Hoc- Netz, AP bei Infrastrukturnetz) antwortet mit Clear- To- Send (CTS), in der Länge auch steht ª Medienzugriff für RTS mit Basic Access ª Nachteil: größerer Overhead ª Vorteile: wenn keine Kollision aubrid, ist Medium reserviert, wenn Kollision aubrid, dauert diese nicht lange (RTS kurz) Hidden- Terminal- Problem teilweise gelöst: die StaConen, die Sender nicht hören, erfahren vom Empfänger Reservierung [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 31

32 Drahtlose LANs: MAC ª Zeitablauf beim Medienzugriff mit RTS/CTS- Austausch: Sender Empfänger DIFS RTS SIFS CTS SIFS data SIFS ACK weitere Stationen NAV (RTS) NAV (CTS) Wartezeit DIFS Wettbewerb data t [KMS] Sommer 2015 Drahtlose Netze und Wi- Fi 32