Mobilkommunikationsnetze - IEEE

Transkript

1 - IEEE Markus Brückner 1

2 Einführung drahtlose Datenübertragung im 2,4 und 5 GHz ISM-Band Aktuell: Übertragungsraten bis 600 Mbit/s brutto (ehemals n) bis zu 14 (2,4-GHz-Band), bzw. 28 (5-GHz-Band*) Kanäle mit 20 oder 40 MHz Bandbreite Modulation: DSSS und OFDM Strahlungsleistung (Deutschland): mw EIRP Reichweiten im Freien bis 100 m (mit speziellen Antennen auch mehr) *je nach Land stark verschieden 2

3 Einführung (Fortsetzung) CSMA/CA-basierter Medienzugriff RTS/CTS zur Kollisionsvermeidung (CA) Medium abhören + Interpretation von CTS zur Detektion konkurrierender Übertragungen (CS) Betrieb als Ad-Hoc- und Infrastrukturnetz möglich Identifikation zugehöriger Knoten über Service Set Identifier (SSID) Verschlüsselung nach i (WPA2) Bestätigung und ggf. Neuübertragung von Paketen auf MAC-Ebene 3

4 Begriffe Station (STA): Gerät mit Zugriff auf das Funkmedium Basic Service Set (BSS): Gruppe von STAs mit einheitlich konfigurierter Funkanbindung Independent BSS: BSS ohne Anbindung nach außen (vgl. auch ESS) Distribution System (DS): Layer-2-Netz zu Verbindung mehrerer BSS Extended Service Set (ESS): BSS mit Anbindung an DS 4

5 Betriebsarten: Infrastrukturnetz Basic Service Set STA (BSS) 1 BSS 2 Access Point (AP) SSID: xyz AP SSID: xyz Extended Service Set (ESS) Distribution System (DS) BSS 3 AP SSID: xyz Layer-2- Verbindung (bspw. Via Ethernet Switches) 5

6 Betriebsarten: Ad-Hoc IBSS SSID: xyz IBSS SSID: abc 6

7 Station Management Aufbau MAC Medienzugriff, Fragmentierung, Verschlüsseluung MAC-Management (MLME) Synchronisation, Roaming, Überwachung, Power Management DLC PHY LLC MAC PLCP PMD MAC Management PHY Management 7

8 Station Management Aufbau PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) Überwachung des Mediums (Carrier Sensing) Umwandlung PSDU zu PPDU (Kodierung) PMD (Physical Medium Dependent) Modulation PHY Management Überwachung Station Management Koordinierung aller Funktionen DLC PHY LLC MAC PLCP PMD MAC Management PHY Management 8

9 PMD unterstützt verschiedene Übertragungsarten mehrere PMDs FHSS & IR (1 & 2 Mbit/s, veraltet) DSSS (1 & 2 MBit/s), HR/DSSS (High Rate DSSS, 5,5 & 11 Mbit/s, b) OFDM (bis 54 Mbit/s) ERP (Extended Rate PHY, zusätzliche Geschwindigkeiten auf 2,4 GHz, veraltet) HT (Erweiterung von OFDM auf vier parallele 20- bzw. 40- MHz-Kanäle, bis 600 Mbit/s) Ansteuerung durch PLCP 9

10 PMD Beispiel Ansteuerung HT-PMD PLCP PMD 10

11 PLCP Unterschiedliche PMDs erfordern Anpassung auf einheitliches Interface zum MAC (Kodierung von Daten etc.) PLCP Einpacken von Datenpaketen des MAC (PSDU) zur Übertragung via PMD 1 PMD = 1 PLCP Präambel & Headerdaten hinzufügen Kodierung in passende Übertragungssymbole 11

12 PLCP Beispiel OFDM-PPDU Short & Long Training Sequence, Synchronisation, Kanalabschätzung Mit Standardkodierung übertragene Header- Daten von jeder STA dekodierbar Mit signalisierter Rate übertragene Daten Abschätzung der Dauer auch für Unbeteiligte möglich (aufgrund Übertragung von Rate und Länge in SIGNAL) PLCP-Präambel SIGNAL Daten PLCP-Header Rate * Länge Parity * Service PSDU * Nach: IEEE , Abbildung

13 MAC-Layer - Architektur Nicht-konkurrierende Zugriffe im Infrastruktur- Modus (Polling) QoS-Fähigkeiten Mesh-Unterstützung Mesh Coordination Function (MCF) Hybrid Coordination Function (HCF) Point Coordination Function (PCF) HCF Controlled Access (HCCA) HCF/MCF Contention Access (EDCA) MCF Controlled Access (MCCA) Regelung konkurrierender Zugriffe, Basis für alle anderen CFs Distributed Coordination Function (DCF) 13

14 MAC-Layer - DCF CSMA/CA Carrier Sensing zur Überwachung des Kanalzustandes Physisch: Überwachung aktuell laufender Übertragungen am Transmitter Virtuell: Kanalzustand anhand des Network Allocation Vector (NAV) Überwachung nicht direkt messbarer Übertragungen (bspw. Anhand Duration-Feld in RTS/CTS) kombiniert zu Kanalzustand Random Backoff zur Kollisionsvermeidung Idee: erhöhte Kollisionswahrscheinlichkeit direkt nach abgeschlossener Übertragung Lösung: Entzerrung mehrerer STAs durch zufällige Wartezeit 14

15 MAC-Layer - DCF Pakete durch Interframe Spaces (IFS) getrennt IFS abhängig vom Pakettyp Priorisierung DIFS (DCF IFS): normale Datenpakete in DCF SIFS (short IFS): u.a. vor ACK- & CTS-Paketen PIFS (PCF IFS): bevorzugte Übertragungen von Managementpaketen in PCF AIFS (Arbitration IFS): Unterstützung von QoS in HCF DIFS Kanal belegt AIFS[i] AIFS[i] PIFS SIFS DIFS Nächstes Paket Nach: IEEE , Abbildung 9-3 Contention Window 15

16 MAC-Layer DCF Grundlegender Medienzugriff sendebereite STA überwacht Kanal für min. DIFS Kanal frei sofortiges Senden bei belegtem Kanal Überwachung des Kanals bis frei + DIFS zufällige Wartezeit n*slot-dauer (Backoff-Timer, abhängig vom PHY) Kanal belegt während Wartezeit: Unterbrechung des Timers, Neustart der Gesamtprozedur (inkl. DIFS) mit verbleibendem Backoff-Timer nach Ablauf der Wartezeit: Übertragung Kollisionsvermeidung durch Entzerrung der Startzeitpunkte, Fairness durch Fortsetzung der Backoff-Timer 16

17 MAC-Layer DCF Beispiel: Medienzugriff mit Backoff DIFS STA1 Übertragung STA2 Übertragung STA3 Übertragung Nach: , Abbildung 9-12 Abgelaufener Backoff-Timer Verbleibender Backoff-Timer 17

18 MAC-Layer - DCF Bevorzugte Übertragung von ACK Unicast-Pakete werden mit ACK bestätigt Empfänger wartet SIFS & sendet ACK automatische Neuübertragung bei Ausbleiben des ACK Vorteil: STAs ohne gültigen NAV (bspw. RTS/CTS verpasst) warten garantiert länger, als der Abstand zum ACK DIFS Paket SIFS ACK DIFS Nach: IEEE , Abbildung 9-3 & 9-4 Contention Window 18

19 MAC-Layer DCF RTS/CTS-Erweiterung (optional) Sender DIFS SIFS RTS SIFS Daten SIFS Empfänger CTS ACK Andere NAV (RTS) NAV (CTS) DIFS Nach IEEE , Abbildung 9-4 Contention Window 19

20 MAC-Layer DCF RTS/CTS mit fragmentierten Paketen Sender DIFS SIFS SIFS RTS SIFS Frag1 SIFS Frag2 SIFS Empfänger CTS ACK1 ACK2 Andere NAV (RTS) NAV (CTS) NAV (Frag1) NAV (ACK1) DIFS Nach IEEE , Abbildung 9-5 Contention Window 20

21 MAC-Layer PCF Medienzugriffverfahren für Infrastrukturnetze zentral: Point Coordinator (PC) verantwortlich für Abfrage der einzelnen Teilnehmer (Polling) Ziele: zeitweise Elimierung der Contention-Phasen zentrale Kontrolle über Übertragungsreihenfolge ggf. kürzere IFS als DCF kompatibel zu DCF-basierter Kommunikation auf gleichem Kanal (PCF hat automatisch Vorrang durch kürzere Wartezeiten) 21

22 MAC-Layer PCF PC kann mittels Beacon-Frame den Kanal für eine gewisse Zeit belegen & PCF-kontrollierten Traffic übertragen PCF- & DCF-Perioden wechseln sich ab periodische Wiederholung des Vorgangs Verschiebung bei belegtem Medium CFP-Intervall CFP-Intervall Belegtes B PCF B PCF B Medium Verkürzte CFP NAV NAV B: Beacon Frame CFP: Contention-Free Period Nach IEEE , Abbildung

23 MAC-Layer PCF Ablauf PCF-Transfer PC PIFS Contention-freie Phase (PCF) SIFS SIFS SIFS SIFS SIFS PIFS SIFS SIFS Contention- Phase (DCF) B D1 + poll D2+ACK +poll D3+ACK +poll D4 +poll CF- End STA U1 +ACK U2 +ACK keine Antwort von STA 3 U4 +ACK NAV (Beacon) NAV zurückgesetzt Dx Pakete von PC an STA (Downlink) Ux Pakete von STA an PC (Uplink) Nach IEEE , Abbildung

24 MAC-Layer PCF Vorteile: erhöhte Effizienz durch Vermeidung von Wettbewerb um das Medium kürzere Wartezeiten (SIFS, statt DIFS nach ACK) mehrere Pakete in einem Frame (Dn+1, ACKn, Poll) Nachteile: zentraler Koordinator (AP als Point Coordinator) alle Kommunikation über AP direkte Verbindung zu AP notwendig keine Meshnetze Startzeitpunkt der CFP variabel, Übertragungsdauer der STAs unbekannt keine QoS-Aussagen möglich 24

25 MAC-Layer Frameformat Allgemeines MAC-Paketformat MAC-Header Frame Control Dauer/ ID Adresse 1 Adresse 2 Adresse 3 Sequence Control Adresse 4 QoS Control HT Control Daten FCS Minimal notwendige Felder ausgewählte Felder Frame Control: Verwaltungsinformationen des Paketes Dauer: Informationen zum Setzen des NAV Adressen: abhängig vom Typ Adressen beteiligter Systeme FCS: Frame Check Sequence, Prüfsumme (alle Längen in Bytes) Nach IEEE , Abbildung

26 MAC-Layer Frameformat Frame Control Version Type Subtype To DS From DS Weitere Fragm. Retry Power Mgmt. Weitere Daten Geschütztes Paket Order Nach IEEE , Abbildung 8-2 Type/Subtype: Pakettyp (Control, Management, Data) und Untertyp (bpsw. Control/RTS) To/From DS: Paket ist für das Distribution System (DS) bestimmt/kommt aus DS relevant für Interpretation der Adressfelder Weitere Fragmente: weitere Fragmente des Datenteils folgen Retry: Paket ist eine erneute Übertragung eines vorangegangen Paketes (alle Längen in Bits) 26

27 MAC-Layer Frameformat Interpretation der Adressen Szenario From DS To DS Adresse 1 Adresse 2 Adresse 3 Adresse 4 STA STA 0 0 RA=DA TA=SA BSSID - AP STA 1 0 RA=DA TA=BSSID SA - STA AP 0 1 RA=BSSID TA=SA DA - Mesh 1 1 RA TA DA SA DA (Destination Address): MAC-Adresse des Zielsystems des Paketes RA (Receiving STA Address): MAC-Adresse des Ziels der aktuellen Übertragung (in Mesh- oder Infrastrukturnetzen ggf.!= endgültiges Paketziel) SA (Source Address): MAC-Adresse des Quellsystems des Paketes TA (Transmitting STA Address): MAC-Adresse der Quelle der aktuellen Übertragung (Kommentar siehe RA) BSSID: Basic Service Set Identifier (bspw. MAC-Adresse des AP in Infrastrukturnetzen oder geeignete Zufallszahl in IBSS) 27

28 MAC-Layer Frameformat Ausgewählte Controlframes Acknowledgement: Bestätigung des direkt vorrangegangenen Datenframe keine SA Frame Control Duration Transmitter Address FCS RTS: Anforderung der Sendeerlaubnis Benennung des Anfragenden (RA & TA) Frame Control Duration Receiver Address Transmitter Address FCS CTS: Sendefreigabe RA = Freigebender Sender Frame Control Duration Receiver Address FCS Duration dient jeweils der Steuerung des NAV 28

29 MAC-Management Synchronisation gemeinsame Zeitbasis (Timing Synchronization Function/TSF Timer) für alle STA in einem BSS Basis für einheitliche SIFS/DIFS/PIFS etc. Power Management Stromsparmechanismen (Abschalten des Transceivers für bestimmte Zeit) Puffern von Paketen für abgeschaltete STAs Assoziierung/Reassoziierung Integration einer STA in bestehendes Netz Roaming durch Wechsel des AP Scanning zur Suche nach vorhandenen Netzen 29

30 MAC-Management Synchronisation Synchronisation mittels Beacon-Frames enthält (unter anderem) TSF-Zeitstempel (in Mikrosekunden mit Periode 2 64 ) & Beacon-Intervall Infrastrukturmodus Zeitgeber: Access Point Beacon können durch laufende Übertragung verschoben werden Intervall bleibt gleich! Beacon-Intervall Beacon-Intervall Beacon-Intervall Beacon-Intervall B B B B Daten Daten Daten Daten Wert des Zeitstempels (TSF-Timer der Übergabe des ersten Symbols an den PHY + PHY-Delay) empfangende STA kann ihren TSF-Timer passend setzen Nach IEEE , Abbildung

31 MAC-Management Synchronisation Ad-Hoc-Modus Beacons werden zufällig von beliebiger STA generiert Synchronisation der TSF-Timer über die Zeit zufällige Verzögerung vor Beacon-Aussendung Kollisionsvermeidung Zielzeit: Ende des Beaconintervalls Zurückstellen aller anderen Pakete Beacon-Intervall Beacon-Intervall Beacon-Intervall Beacon-Intervall STA1 B Daten B STA2 Daten B Daten STA3 Daten B Wert des Zeitstempels Zufällige Verzögerung Nach IEEE , Abbildung

32 MAC-Management Power Management Ziel: Abschaltung des Transceivers zum Energiesparen ohne Paketverlust! Grundidee: STAs können in Power-Save-Modus (PS) wechseln Power Management = 1 in Frame Control Pakete für STAs in PS werden zwischengespeichert Information in Traffic Indication Map (TIM) TIM wird periodisch mit Beacon übertragen STAs wachen periodisch auf und prüfen TIM 32

33 MAC-Management Power Management Infrastrukturmodus DTIM-Intervall Packet für STA3 am AP eingetroffen TIM enthält STA3 als Ziel AP TIM- Intervall busy busy STA1 STA2 STA3 DTIM TIM Broadcast-/Multicast- Traffic STA3 dekodiert TIM PS-Poll 33 ACK mit PM=1 Nach IEEE , Abbildung 10-4

34 MAC-Management Power Management Ad-Hoc-Modus TIM- Intervall ATIM- Fenster ATIM STA3 Packet für STA3 auf STA1 generiert DATA STA3 Nach IEEE , Abbildung 10-5 ATIM-ACK STA1 DATA-ACK STA1 34

35 MAC-Management Mobility Entscheidung für AP-Wechsel liegt bei STA basierend auf Verbindungsqualität Scanning, Reassociation, ggf. Aushandlung von Verbindungsparametern (Schlüssel, QoS) zeitaufwändig Verbesserung durch Fast BSS Transition Ziel: Verringerung der Unterbrechung zum DS mehrere AP in einer Mobility Domain verringerte Nachrichtenanzahl bei AP-Wechsel durch Parallelisierung von Assoziierung, Schlüsseltausch etc. Möglichkeit zur Aushandlung mit Ziel-AP über DS vor dem Wechsel 35

36 QoS Unterstützung verschiedener Prioritäten auf MAC-Ebene Ziel: Audio & Video ggü. normalem Traffic priorisieren, Delay minimieren Elemente kürzere IFS für Audio- & Videoframes (AIFS) Verschiedene Traffic-Klassen, Signalisierung von Queueständen zum AP möglich Übernahme des Mediums durch AP zu fast jederzeit (ähnlich CFP unter PCF, aber flexiblere Startzeitpunkte) Bestätigung mehrerer Frames im Block Unbestätigte Frames zur Vermeidung von Neuübertragungen 36

37 Kontakt Technische Universität Ilmenau Dipl.-Inf. Markus Brückner fon: +49 (0) fax: +49 (0) Besucheradresse: Technische Universität Ilmenau Helmholtzplatz 5 Zusebau, Raum 1034 D Ilmenau 37