Tema 3.- Tecnologías inalámbricas de red
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Tema 3.- Tecnologías inalámbricas de red
Tema 3.Tecnologías inalámbricas de red Aspectos básicos de las comunicaciones inalámbricas o Conceptos básicos o Modelos de propagación Gran escala Pequeña escala Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Decibelios Los dB (deciBel) son una unidad adimensional utilizada para representar ratios y ganancias en escala logarítmica o Las ganancias se suman en vez que multiplicarse ⎡ p2 ⎤ ⎢ ⎥ = 10 log ⎣ p 1 ⎦ dB Ejemplo: cálculo de la atenuación T-R o PT=100, PR=10 o [PT/PR]dB = 10 log(PT/PR) = 10 log(10) = 10 dB dbm dbm Valores útiles: o [1/2]dB ≈ -3 dB o [1/1000]dB = -30 dB Permiten expresar valores absolutos: o [n mW]dBm = [n/mW]dB o [n W]dBW = [n/W]dB 2 ⎛ p2 ⎞ ⎜ ⎟⎟ = 10 (log p 2 − log p 1 ) 10 ⎜ ⎝ p1 ⎠ Ej.: [1mW]dBm = 0 dBm Ej.: [1 mW]dBW = -30 dBW De decibelios a potencia: P = 10dB/10 watt watt 00 0.001 0.001 10 0.01 10 0.01 20 0.1 20 0.1 30 11 30 40 10 40 10 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 3 Antenas: conceptos básicos Non Isotropic Antenna o Irradia la energía que recibe solo en una sección del espacio que la rodea. Isotropic Antenna o Irradia la energía que recibe en todo el espacio que la rodea. YAGI Directional Antenna Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Antenas de largo alcance Antena Yagi exterior (13,5 dBi) Alcance: 6 Km a 2 Mb/s 2 Km a 11 Mb/s 4 Antena Parabólica exterior (20 dBi) Alcance: 10 Km a 2 Mb/s 4,5 Km a 11 Mb/s Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Más ejemplos de antenas Horizontal Radiation Antena dipolo diversidad para efectos multipath 5 Antena de parche para montaje en pared interior o exterior (8,5 dBi) Alcance: 3 Km a 2 Mb/s 1 Km a 11 Mb/s Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Bandas sin licencia en USA Industrial, Scientific, and Medical (ISM) o 902 – 928 MHz band. Ahora en disuso para WLAN o 2400 – 2483.5 MHz ISM band. Unlicensed National Information Infrastructure (UNII): o 5.15 – 5.25 GHz. o 5.25 – 5.35 GHz. o 5.725 – 5.850 GHz ISM band. Short Wave Radio AM Broadcast Audio Extremely Low Very Low Low 902 - 928 MHz 26 MHz 6 Medium FM Broadcast Television Cellular (840MHz) NPCS (1.9GHz) High Very Ultra High High Super High 2.4 - 2.4835 GHz 83.5 MHz (IEEE 802.11) Infrared wireless LAN Infrared Visible Light Ultraviolet 5 GHz (IEEE 802.11) HyperLAN HyperLAN2 X-Rays Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Bandas sin licencia en Europa Bandas aprobadas por el CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) 2400 – 2483.5 MHz, basada en la ISM. 5.15 – 5.35 GHz. 5.470 – 5.725 GHz. Short Wave Radio AM Broadcast Audio Extremely Low Very Low Low Medium FM Broadcast Television Cellular (840MHz) NPCS (1.9GHz) High Very Ultra High High Super High 2.4 - 2.4835 GHz 83.5 MHz (IEEE 802.11) 7 Infrared wireless LAN Infrared Visible Light Ultraviolet 5 GHz (IEEE 802.11) HyperLAN HyperLAN2 X-Rays Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Detalles de la banda de 5 GHz 5 GHz UNII Band 5.15 5.25 5.35 4 Channels 4 Channels US (FCC) 12 Channels (*can use up to 6dBi gain antenna) Europe 19 Channels (*assumes no antenna gain) UNII-1 UNII-2 40mW 200mW 5.470 5.725 11 Channels 4 Channels UNII-3 800mW (22 dBm EIRP) (29 dBm EIRP) 200mW (35 dBm EIRP) 1W UNII-1: Indoor Use, antenna must be fixed to the radio UNII-2: Indoor/Outdoor Use, fixed or remote antenna UNII-3: Outdoor Bridging Only (EIRP limit is 52 dBm if PtP) *if you use a higher gain antenna, you must reduce the transmit power accordingly 8 5.825 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Calculo del Power Budget Prx = Ptx+Gpa-Gtxl+Gtxa-Lpath+Grxa+Gra-Grxl o Ptx[dBm]=Power generated by TX o Gpa[dB]=Gain of the Power Amplifier o Gtxa[dBi]=Gain of TX antenna o Gtxl[dB]=Gain (loss) of transmission line o Lpth[dB]=Loss of the transmission medium o Grxa[dBi]=Gain of RX antenna o Gra[dB]=Gain of the Receive Amplifier o Grxl[dB]=Gain (loss) of receiving line o Prx[dBm]=Power received o Sr[dBm]=Sensivity of receiver Gtxl (Effective Isotropically Radiated Power) = Ptx+Gpa+Gtxa-Gtxl Debe valer la condición Prx > Sr Ptx Gpa P A TX 9 EIRP Gtxl GTXA Lpath Grxa Gra R A Grxl Sr RX 1 0 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Representación grafica del power budget Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Características del canal inalámbrico Theodore S. Rappaport , “Wireless Communications : Principles and Practice”, Prentice Hall, July 1999 El canal inalámbrico sufre de los efectos de los dos siguientes fenómenos: o Distancia Ö Path attenuation (Large scale fading) o Multipath (Small scale fading) dispersión en el tiempo debida a los diferentes caminos de la señal T R La La señal señal verde verde recorre recorre 1/2λ 1/2λ más más de de la la línea línea en en amarillo. amarillo. El El receptor receptor recibe recibe la la señal señal en en rojo. rojo. Para = 2,4 2,4 GHz GHz,, λλ = = c/f c/f = = 12.5cm 12.5cm Para ff = 1 1 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Mecanismos/modelos de propagación Propagación Free Space o Solamente ondas directas. Ejemplos: regiones cerca de la fuente, cámaras anecoicas, antenas muy elevadas. Propagación terrestre: o Contacto visual (tierra plana): Refracción (Refraction): depende del tipo de los materiales conductores o dieléctricos o Tierra esférica: Diffraction: zonas de Fresnel Propagación en el espacio: o Scattering, absorción, ... 1 2 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Propagación free space Calculo de la potencia recibida cuando T&R tienen contacto visual (LOS) o “la atenuación de la señal que resultaría eliminando todos los efectos de absorción, difracción, obstrucción, reflexión, dispersión.” Pt Pt Gt Gr λ2 =K 2 Pr (d ) = 2 2 (4π ) d L d Ecuación de Friis: Valida solo para d en la región de Fraunhofer (far-field region): “el área alrededor de una antena en la cual la radiación aparece venir de un solo punto” d > df = 2D2/λ; D es la dimensión más grande de la antena λ longitud de onda de la portadora 1 3 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Difracción La difracción ocurre cuando una onda golpea el borde de un obstáculo o El exceso de longitud del recorrido produce un desplazamiento de fase o Las zonas de Fresnel meten en relación los desplazamientos de fase con la posición de los obstáculos Las zonas de Fresnel son elipses con T y R en los focos T 1st Fresnel zone o L1 = L2+λ o El campo visual (line of sight, LOS) corresponde a la primera zona o Si la LOS está parcialmente bloqueada la zona 2 puede interferir de forma destructiva Obstruction Path 1 Path 2 1 4 R Tema 2.Tecnologías inalámbricas de red Aspectos básicos de las comunicaciones inalámbricas o Conceptos básicos o Modelos de propagación Gran escala Pequeña escala Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 6 Modelos de propagación Gran escala (large scale): predicen el comportamiento de una señal promediado sobre grandes distancias (» λ) o Depende de la distancia y de las características relevantes del entorno o Básicamente independiente de la frecuencia Pequeña escala (small scale fading): describen las variaciones de las señal en escala con λ o Domina el efecto del Multipath (phase cancellation). La atenuación se puede considerar constante o Depende de la frecuencia y del ancho de banda o “Fading”: representa cambios rápidos de la señal sobre pequeñas distancia o intervalos temporales Exponencial Potencia Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Comparación 0.1 -1 m (10-100 msecs) Small-scale Fading Large-scale Fading 10-100 m (1-10 secs) Distancia 1 7 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 8 Modelos de propagación a gran escala: path loss Se refiere al calculo de la potencia de la señal en el receptor en base a la distancia d entre transmisor (T) y receptor (R) T df d0 R d Calculo del path loss: PL(d) = PL (d0)+10nlog(d/d0) (dB) PL(d0) se calcula con la ecuación de Friis, considerando Gt=Gr=L=1: ⎡ λ2 ⎤ Pt ⎡ (4π )d ⎤ = 20 log ⎢ PL(d 0 ) = 10 log = −10 log ⎢ 2 2⎥ ⎥ Pr ( 4 ) d π λ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Modelos de propagación a gran escala: path loss Öun ejemplo Datos: d=10km, f=900MHz, ο λ=c/f = 3*108/9*108 = 1/3m o d0=1km Ö PL(d0) = 20log(4π1000/λ) = 91,5 dB o free space n=2 PL(d) = PL (d0)+10nlog(d/ d0) = 91,5 + 10*2*log(10000/1000) = 111,5 dB o ciudad n=3.5 T 1 9 n Free space 2 Urban area 2.7-3.5 Shadowed urban area PL(d) = PL (d0)+10nlog(d/ d0) = 91,5 + 10*3.5*log(10000/1000) = 126,5 dB df Environment d0 Indoor LOS 1.6-1.8 Indoor no LOS 4-6 R d 3-5 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 2 0 Modelos de propagación a gran escala: Log-normal shadowing Se consideran las variaciones del entorno a pesar de que d sea constante Se añade por eso una variable casual Gaussiana ⎛d ⎞ PL(d )[dB ] = PL(d ) + X σ = PL(d 0 ) + 10n log⎜⎜ ⎟⎟ + X σ ⎝ d0 ⎠ o Donde Xσ es una variable casual Gaussiana con (µ=0, σ) Entonces: Pr (d )[dBm] = Pt [dBm] − PL(d )[dB] Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Modelos de propagación a gran escala: modelos para exteriores Modelos: “2-Ray” Ground Reflection o para d >> hrht, T El bajo ángulo de incidencia permite a la tierra de actuar como un reflector La señal reflejada tiene un desfase de 180° Pr ∝ 1/d4 (n=4) R ht hr Modelos de difracción para terrenos montañosos (hilly terrain) o La propagación puede pude ser LOS o resultar en la difracción en las varias crestas o Si no hay LOS la difracción puede ayudar ... 2 1 Phase shift! Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 2 2 Modelos de propagación a gran escala: modelos para interiores En los modelos para interiores se puede generalizar menos: o El entorno es más dinámico o Las características importantes son mas pequeñas o Distancias son más cercanas al near-field Material Material Concrete block Concrete block o Más clutters, hay scattering, menos LOS Plywood (3/4”) Técnicas de modelado: Plywood (3/4”) Plywood (2 sheets) Plywood (2 sheets) Plywood (2 sheets) Plywood (2 sheets) Aluminum siding Aluminum siding Sheetrock (3/4”) Sheetrock (3/4”) Sheetrock (3/4”) Sheetrock (3/4”) Turn corner in corridor Turn corner in corridor Loss (dB) Loss (dB) 13-20 13-20 2 2 4 4 6 6 20.4 20.4 2 2 5 5 10-15 10-15 Frequency Frequency 1.3 GHz 1.3 GHz 9.6 GHz 9.6 GHz 9.6 GHz 9.6 GHz 28.8 GHz 28.8 GHz 815 MHz 815 MHz 9.6 GHz 9.6 GHz 57.6 GHz 57.6 GHz 1.3 GHz 1.3 GHz o Log-Normal, n<2 cuando hay LOS o Log-Normal shadowing model si no hay LOS o Atenuación debida a tabiques y al suelo o Modelos 3D complejos basados en “ray-tracing” de los edificios y de los factores de atenuación de los materiales 2 3 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Propagación radio en un entorno cerrado 2 4 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Otro ejemplo Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 2 5 Modelos de propagación a pequeña escala: efectos del Multipath Pequeña escala (small scale fading): describen las variaciones de las señal en escala con λ o Domina el efecto del Multipath (phase cancellation). La atenuación se puede considerar constante o Depende de la frecuencia y del ancho de banda o “Fading”: representa cambios rápidos de la señal sobre pequeñas distancia o intervalos temporales Rápidas variaciones de la potencia de la señal a causa de la cancelación de fase Modulación de la frecuencia producida por Doppler shifts a causa del movimiento de R o T Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Modelos estadísticos del fading Los modelos de Fading modelan la probabilidad de fading en determinadas localizaciones Los modelos más sencillos están basados en el principio de WSSUS o Wide Sense Stationary (WSS) Las estadísticas son independientes de pequeñas perturbaciones en el tiempo y posición Es decir, parámetros estadísticos fijos para nodos estacionarios o Uncorrelated Scatter (US) Los diferentes paths no están correlatos en fase o atenuación Es decir, Las componentes multipath componentes pueden ser VC independientes Distribuciones comunes o Rayleigh fading distribution Models a flat fading signal Used for individual multipath components o Ricean fading distribution 2 6 Used when there is a dominant signal component, e.g. LOS + weaker multipaths parameter K (dB) defines strength of dominant component; for K=-∞, equivalent to Rayleigh Tema 3.Tecnologías inalámbricas de red Redes WLAN: IEEE 802.11 o la capa física o o o o o la capa MAC calidad de servicio: 802.11e seguridad: WAP y 802.11i MIMO: 802.11n herramientas de gestión Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007 Tema 3.Tecnologías inalámbricas de red Redes WLAN: IEEE 802.11 o la capa física o o o o o la capa MAC calidad de servicio: 802.11e seguridad: WAP y 802.11i MIMO: 802.11n herramientas de gestión Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes El estándar IEEE 802.11 En el 1997 nace el: o IEEE Working Group for WLAN Standards: http://grouper.ieee.org/groups/802/11/index.html Se define el MAC y tres diferentes niveles físicos, que operan a 1Mbps y 2Mbps: o Infrarrojos (IR) en banda base o Frequency hopping spread spectrum (FHSS), banda de 2,4 GHz o Direct sequence spread spectrum (DSSS), banda de 2,4 GHz IEEE Std 802.11b (septiembre 1999): o Extensión de DSSS; hasta 11 Mbps IEEE Std 802.11a (diciembre 1999): o Otro estándar de nivel físico (OFDM): Orthogonal frequency domain multiplexing o Hasta 54 Mbps IEEE Std 802.11g (junio 2003) ... PHY Layer Infra-Red (IR) 802.11 IR 1 / 2 Mbit/s 2.4 GHz (FHSS) Frequency Hopping Spread Spectrum 802.11 FHSS 1 / 2 Mbit/s 2.4 GHz (DSSS) Direct Sequence Spread Spectrum 802.11 DSSS 1 / 2 Mbit/s 802.11b / TGb High Data Rate Extension 5.5/11 Mbit/s 802.11b-cor1 / TGb-cor1 Corrigendum MIB 802.11g / TGg Data Rates >20 Mbit/s 5 GHz (OFDM) Orthogonal Frequency Division Multiplexing 802.11d / TGd Regulatory Domain Update 802.11a / TGa High Data Rate Extension 6/12/24 Mbit/s Optional 9/18/36/54 Mbit/s 802.11h / TGh Spectrum Managed 802.11a WLANs Next Gemeration SC Globalization & Harmonization Beneficios o No se producen interferencias con otras señales o Mayor inmunidad al ruido o Difíciles de interceptar Frequency Hopping (FHSS) o o Utiliza una de 78 secuencias del salto. Salto a un nuevo canal del 1MHz (sobre un total de 79 canales) por lo menos cada 400milliseconds Requiere la adquisición y la sincronización del salto Freq. Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Técnicas de Spread Spectrum f7 f6 f5 f4 f3 f2 f1 Time Direct Sequence (DSSS) o Utiliza uno de los 11 canales ‘solapados’ y multiplica la señal para una secuencia de spreading para ensanchar datos a 1M-symbol/sec data sobre 11MHz Symbol time ts “1” “0” X “symbol” = “Barker” sequence Result of multiplication Chip time tc Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 802.11 DSSS Radio Interface 1 Mbps o 1 Msymbol/s BPSK spread by 11 chip Barker code, o (-4 dB Bandwidth = 11 MHz, main lobe = 22 MHz), o IEEE 802.11 2 Mbps o 1 Msymbol/s QPSK spread by 11 chip Barker code o (-4 dB Bandwidth = 11 MHz, main lobe = 22 MHz), o IEEE 802.11 5.5 Mbps o 2 Msymbol/s QPSK like symbols spread by 8 chip Complementary Code Keying (CCK). o IEEE 802.11b 11 Mbps o 4 Msymbol/s QPSK like symbols spread by 8 chip Complementary Code Keying (CCK). o IEEE 802.11b 54 Mbps o OFDM with max. 52 sub-carriers, o IEEE 802.11a / IEEE 802.11g Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 802.11 DSSS Frame Format PPDU: PLCP protocol data unit o o o Durante la transmisión las MPDU son precedidas por el preámbulo y la cabecera del PLCP para crear la PPDU El preámbulo y la cabecera del PLCP son transmitidas utilizando una modulación DBPSK a 1 Mbit/s Todos los bits son scrambled para obtener la función de ‘data whitener’ Synchronization (SYNC) field o o Field allows receiver to perform necessary SYNC operations Also provides for: Start Frame Delimiter (SFD) field o Reserved for future use. Value of 00 signifies IEEE 802.11 device compliance LENGTH field o Indicates to PHY the modulation used for transmission (and reception) of the MPDU Data rate = signal field value x 100 kbit/s SERVICE field o Indicates start of PHY-dependent parameters within PLCP Preamble SIGNAL field o o gain setting, energy detection, antenna selection, frequency offset compensation Unsigned 16-bit integer. Indicates time (in µS) required to transmit the MPDU Header Error Check (HEC) field o o SIGNAL, SERVICE, and LENGTH fields protected with a CCITT CRC-16 Frame Check Sequence (FCS) All FCS calculations made prior to data scrambling Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 802.11b High Rate DSSS Frame Format Extension of IEEE 802.11 DSSS format Additionally provides 5.5 Mbit/s and 11 Mbit/s data rates Uses same PLCP preamble and header as DSSS o both PHYs can co-exist in the same BSS o can use the rate switching mechanism as provided. Two different preambles and headers are defined: o Long Preamble & Header mandatory & supported interoperates with the current 1 Mbit/s and 2 Mbit/s DSSS spec o Short Preamble & Header optional where maximum throughput is desired expected to be used only in networks of like equipment Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 802.11b High Rate DSSS Optional Services Mode replacing CCK modulation with packet binary convolutional coding (PBCC) Channel agility HR/DSSS/short mode: o Allows data throughput at higher rates (2, 5.5, & 11 Mbit/s) to be significantly increased by using a shorter PLCP preamble Can coexist with DSSS, HR/DSSS, or HR/DSSS/PBCC under limited circumstances o different channels o with appropriate CCA Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes HR/DSSS: Long Frame Format Same format as IEEE 802.11 DSSS Frame The only exceptions are: o Encoding of the rate in the SIGNAL field. Represent rate in units of 100 kbit/s 0A for 1 Mbit/s, 14 for 2 Mbit/s, 37 for 5.5 Mbit/s, 6E for 11 Mbit/s o SERVICE field Rightmost bit (bit 7) used to supplement LENGTH field – resolve an ambiguity in PSDU length in octets, when length expressed in µS Bit 3 used to indicate whether modulation method is CCK <0> or PBCC <1> Bit 2 used to indicate that transmit frequency and symbol clocks are derived from same oscillator An IEEE 802.11-compliant device shall set values of bits b0, b1, b4, b5, and b6 to 0 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes HR/DSSS: Short Frame Format Short Synch field o Consists of 56 scrambled “0” bits. o So receiver can perform necessary SYNC Start Frame Delimiter (SFD) field o Time reverse of long PLCP SFD field o Not detected by non-compliant receivers SIGNAL field o Only 1 Mbit/s removed o Remaining fields same as HR DSSS Long Frame format Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Los canales de 802.11b Overview El estándar prevé 14 canales de 22 MHz de amplitud o el FCC solo utiliza los primeros 11 o en España solo el 10 y el 11 3 canales que no solapan (1, 6,11) data rate de 11 Mbps Tres puntos de acceso pueden estar ‘cerca’ para obtener un total de 33 Mbps de throughput agregado Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes estándar IEEE 802.11a 5 GHz, 54 Mbps, OFDM technology o Data rates supported: 54, 48, 36, 24, 12, and 6 Mbps o Can “downshift” to lower data rates for longer range Worldwide compatibility issues for 5 GHz band o Effort underway to allow 802.11a operation in European countries o Long-term: Worldwide usage with adoption of Transmit Power Control (TPC) and Dynamic Frequency Selection (DFS) per 802.11h standard 5 GHz band has more channels than 2.4 GHz band o UNII-1 + UNII-2 = 8 non-overlapping channels (vs. 3 channels for 2.4GHz) 5 GHz band subject to less interference than 2.4 GHz ISM band o However, 2.4GHz interference not a major problem in most business environments Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes estándar IEEE 802.11g Ratificado en junio del 2003 por el IEEE Standards Board o draft standard preliminar presentado en diciembre de 2001; o ultimo draft v8.2 Utiliza la banda de 2.4 GHz o modulación OFDM y codificación PBCC Compatible ‘hacia atrás con IEEE 802.11b o Pueden co-existir en la misma WLAN Nuevas velocidades de transmisión suportadas: o 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 & 54 Mbps Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 4 0 Ejemplo de parámetros físicos de un dispositivo real DATA SHEET de un Cisco Aironet 802.11a/b/g CardBus Wireless LAN Client Adapter Link: http://www.grc.upv.es/docencia/cosas/products_data_sheet09186a00801ebc29.html Tema 3.Tecnologías inalámbricas de red Redes WLAN: IEEE 802.11 o la capa física o o o o o la capa MAC calidad de servicio: 802.11e seguridad: WAP y 802.11i MIMO: 802.11n herramientas de gestión Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Arquitecturas disponibles Independent Basic Service Set (IBSS) o Estructura descentralizada o Flexible: Redes pequeñas y grandes, Redes transitorias y permanentes o Control del consumo de potencia infrastructure Basic Service Set (BSS) o Componentes: Estación (STA) Access Point (AP) o Point Coordinator (PC) o Basic Service Set (BSS) o Extended Service Set (ESS) Los 5 valores de timing: • Slot time • SIFS: short interframe space (< slot Servicios sin contienda MAC CSMA/CA con binary exponential backoff El protocolo mínimo consiste de dos tramas: los datos y el correspondiente ACK Point Coordination Function (PCF) Distributed Coordination Function (DCF) time) • PIFS: PCF interframe space (=SIFS+1slot) • DIFS: DCF interframe space (=SIFS+2slots) • EIFS: extended interframe space DIFS DIFS ventana de contienda PIFS busy medium SIFS defer access slot Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes El MAC: entregas de datos fiable Servicios con contienda Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Estructura de las tramas 2 2 6 6 Frame Duration/ / Addr. 1 Frame Duration Addr. 1 Control IDID Control prot. prot. type subtype type subtype vers vers 2 2 4 Addr. Addr.22 6 2 Seq. Seq. Control Control Addr. Addr.33 1 1 1 1 1 1 1 Addr. Addr.44 0-2312 Frame Body 4 FCS FCS Tipos Tiposde dedirecciones: direcciones: ••Source Sourceaddress address(SA) (SA) To FromMore PowerMore To FromMore retry PowerMore WEPorder DS DS frags retrymgt data WEPorder mgt data DS DS frags 1 6 ••Destination DestinationAddress Address(DA) (DA) ••Transmitter TransmitterAddress Address(TA) (TA) bits ••Receiver ReceiverAddress Address(RA) (RA) ••BSS BSSidentifier identifier(BSSID) (BSSID) • management (00) • control (01), • data (10), • reserved (11) Función To DS From DS Addr. 1 Addr. 2 Addr. 3 Addr. 4 IBSS 0 0 RA = DA SA BSSDI - From the AP 0 1 RA = DA BSSDI SA - To the AP 1 0 RA = BSSDI SA DA - Wireless DS 1 1 RA TA DA SA Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 4 5 Addressing and DS bits DS TA RA (BSSID) SA/TA AP AP SA Client RA AP DA Client DA Server Server Función To DS From DS Addr. 1 Addr. 2 Addr. 3 Addr. 4 IBSS 0 0 RA = DA SA BSSDI - From the AP 0 1 RA = DA BSSDI SA - To the AP 1 0 RA = BSSDI SA DA - Wireless DS 1 1 RA TA DA SA Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Ejemplo de funcionamiento del DCF Los intervalos de backoff son escogidos dentro de la congestion window . Es decir en el intervalo [0, CW] La CW puede variar entre 31 slots (CWmin) y 1023 slots (CWmax) CW se incrementa después de una transmisión fallida y se reinicializa después de una transmisión con éxito B1 = 25 B1 = 5 wait data data B2 = 20 wait B2 = 15 9 B1 y B2 son intervalos de backoff en las STA 1 y 2 9 CW = 31 B2 = 10 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Otro ejemplo El transmisor utiliza CW = CWmin (15 slots) del 802.11a y ha seleccionado un random backoff time de 12 slots. Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Situaciones problemáticas Hidden node Exposed node A A B B C C D Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Hidden nodes Obstacle Null The obstacle prevents MU1 and MU2 from hearing one another 4 9 MU3 cannot hear MU1 or MU2 because of the distance The received signals cancel one another resulting in a NULL signal Opposite Side of AP Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Near-Far problem The Near/Far problem is created when: o A station near the AP uses high power while o A station located far from the AP uses Low power. o This results in corruption of the traffic from the far station. High power station near the AP 5 0 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Mecanismo RTS/CTS Se basa en el network allocation vector (NAV) DIFS fuente data RTS SIFS destino SIFS SIFS ACK CTS DIFS otro STA NAV (RTS) NAV (CTS) defer access ventana de contienda Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes PCF: Point Coordination Function PIFS SIFS PC SIFS SIFS Data+Poll STA1 CP STA2 STA3 Beacon PIFS Data+Poll DATA+ACK SIFS SIFS CF-End Data+Poll SIFS (no response) ACK Contention Free Period CP NAV Reset Station 2 sets NAV(Network Allocation Vector) Station 3 is hidden to the PC, it does not set the NAV. It continues to operate in DCF. Time • Los beacon se utilizan para mantener la sincronización de los timers en las estaciones y para enviar información de control • El AP genera los beacon a intervalos regulares • Las estaciones saben cuando llegará el siguiente beacon ¾los target beacon transmission time (TBTT) son anunciados en el anterior beacon Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes PCF: los superframe Hay una alternancia de contention-free period (CFP) y contention period (CP) Un CFP y el siguiente CP forman un superframe. PC STAs 802.11 periodic Superframe CFP(Contention Free Period) CP(Contention Period) CF-End CF-Poll Beacon DATA DATA DATA DATA DATA DATA Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Servicios La arquitectura IEEE 802.11 define 9 servicios: para la estación y para la distribución Station services: o Authentication o Deauthentication o Privacy Ö WEP o Data delivery Parecidos a conectar/desconectar el cable en una red tradicional Distribution services: o Association o Disassociation o Reassociation o Distribution o integration Ö genera una conexión entre STA y AP Ö como association pero informando del AP anterior Ö conexión de la WLAN con otras LANs; uso de un portal Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Variables de estado y servicios Class 1 frames State 1: unauthenticated, unassociated Successful authentication Class 1 & 2 frames Successful authentication or reassociation Class 1, 2 & 3 frames En una IBSS no hay ni auth., ni ass. Se permite la implementación del data service Deauthentication notification State 2: authenticated, unassociated Deauthentication notification Disassociation notification State 3: authenticated, associated Una STA puede estar autenticada por varios AP pero asociada con solo un AP Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Scanning Parámetros: BSStype, BSSID, SSID, ScanType, ChannelList, ProbeDelay, Min/MaxChannelDelay ScanType: Pasivo o Las estaciones esperan beacons de los APs ScanType: Activo o Las estaciones envían probe requests Se genera un scan report La fase siguiente es la fase de joining; esta fase precede la secuencia de acciones hasta llegar a la asociación Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes BSSID y SSID BSSID (Basic Service Set Identity) o BSS: dirección MAC del AP o Ad-Hoc: numero random de 46 bit SSID (Service Set ID) o Conocido como el Network Name por que básicamente es el nombre que identifica la WLAN o Longitud: 0~32 octetos 0: el broadcast SSID o Gestionado manualmente o de forma automática o identificador único de 32 caracteres o sirve para diferenciar las WLAN entre ellas o Los puntos de acceso y las estaciones que quieran conectarse a una WLAN única tienen que utilizar el mismo SSID Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Ahorro de potencia Los nodos que están en la modalidad de ahorro de energía (PS mode) apagan el dispositivo radio durante un cierto intervalo de tiempo o La mayor parte de la potencia de la batería es utilizada por los circuitos de PHY RX el PHY puede ser apagado cuando no se este transmitiendo auque la estación sea activa o En media la TX en una WLAN es activa menos del 2% del tiempo o los nodos transmisores tienen que bufferizar los frames o El aumento de la latencia causado por el PS puede ser controlado reduciendo los timeouts en los protocolos de alto nivel Fácil de implementar con PFC. No tan fácil en DCF Los AP generan beacons con un time-stamp y lo transmiten cada intervalo de beaconing (~100 ms) o la transmisión del beacon es aplazada si el canal está ocupada o los nodos despiertan antes de que el intervalo de beaconing termina y permanecen despiertos hasta que el beacon es totalmente recibido o los timestap son utilizados para actualizar los timer locales Los nodos son sincronizados para despertar al mismo tiempo cuando el transmisor anuncia frames buferizados o los nodos que tienen que recibir frames están despiertos hasta que el frame es entregado Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes El Extended Service Set (ESS) BSS AP Distribution System (DS) WLAN LAN 9 No definido por el estándar como realizarlo 9 Existe una propuesta de un grupo de empresas: Inter-acces point protocol (IAPP) Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Task Group f Scope of Project: to develop recommended practices for an Inter-Access Point Protocol (IAPP) which provides the necessary capabilities to achieve multi-vendor Access Point interoperability across a Distribution System supporting IEEE P802.11 Wireless LAN Links. Purpose of Project: ... including the concepts of Access Points and Distribution Systems. Implementation of these concepts where purposely not defined by P802.11 ... As 802.11 based systems have grown in popularity, this limitation has become an impediment to WLAN market growth. This project proposes to specify the necessary information that needs to be exchanged between Access Points to support the P802.11 DS functions. The information exchanges required will be specified for, one or more Distribution Systems; in a manner sufficient to enable the implementation of Distribution Systems containing Access Points from different vendors which adhere to the recommended practices Status: Work has been completed and is now part of the Standard as a recommended practice. Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Procedimiento de Handoff Fase de ” reassociation” Cuatro mensajes IAPP o IAPP Latency > 4 * RTT Los mensajes de ”Move Request” y de ”Move Response” utilizan TCP STA Old AP New AP Re a s socia tion R eque st Send Ac Secu rity B l oc k ock y Bl t i r cu k Se Move Notif y nse spo e R e Mov nse spo e R n iatio c o s s Rea IAPP Message Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 6 2 Wireless Distribution System IEEE 802.11, WDS means o Multiple wireless “ports” inside the access-point, to wirelessly interconnect cells (access-points connecting to other access-points) pre-IEEE 802.11, did not support WDS: o Three ports exist in one access-point (one Ethernet, and two wireless cells) o One wireless backbone extension can be made (using two radio modules in the access-point) WDS allows: o Extending the existing infrastructure with wireless backbone links o Totally wireless system without any wired backbones, needed in locations where large areas are to be covered and wiring is not possible 6 3 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Wireless Distribution System Channel 1 Channel 11 Channel 1 Channel 6 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 6 4 WDS Wireless Distribution System WDS, consiste en “puentear” dos redes cableadas para obtener conexión entre ellas, por ejemplo entre dos edificios de una misma empresa Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 6 5 WDS Wireless Distribution System Repeater: Consiste en un AP en modo WDS, que simplemente va a repetir las señales que capte de sus “compañeros” de bridge Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Operational processes Traffic flow - WDS operation Bridge learn table STA2 2 STA2 1 Bridge learn table STA2 2 STA2 1 AP-1000 AP-1000ororAP-500 AP-500 Avaya AvayaWireless WirelessPC-Card PC-Card Association table STA1 WDS Relay AP-1000 AP-1000ororAP-500 AP-500 Avaya AvayaWireless WirelessPC-Card PC-Card Association table STA2 Wireless Backbone Packet for STA-2 WDS Relay ACK Packet for STA-2 Packet for STA-2 ACK ACK BSS-B STA-1 STA-1 6 6 BSS-A STA-2 STA-2 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Linksys Wireless-G Access Point Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Linksys Wireless-G Access Point Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Linksys Wireless-G Access Point Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Linksys Wireless-G Access Point Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Linksys Wireless-G Access Point Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Linksys Wireless-G Access Point Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Linksys Wireless-G Access Point Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Linksys Wireless-G Access Point Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Linksys Wireless-G Access Point Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Linksys Wireless-G Access Point Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Linksys Wireless-G Access Point Tema 3.Tecnologías inalámbricas de red Redes WLAN: IEEE 802.11 o la capa física o o o o o la capa MAC calidad de servicio: 802.11e seguridad: WAP y 802.11i MIMO: 802.11n herramientas de gestión Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE802.11e Limitations of the MAC standard for QoS DCF (Distributed Coordination Function) o Only support best-effort services o No guarantee in bandwidth, packet delay and jitter o Throughput degradation in the heavy load PCF (Point Coordination Function) o Inefficient and complex central polling scheme o Unpredictable beacon frame delay due to incompatible cooperation between CP and CFP modes o Transmission time of the polled stations is unknown Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE802.11e Overview of 802.11e Task group e formed in Sep. 1999 and Approved in March 2000 o Current version: IEEE P802.11e/D6.0, November 2003 o Backwardly compatible with the DCF and PCF New QoS mechanism: HCF (Hybrid Coordination Function) o Contention-based channel access EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) – was Enhanced Distributed Coordination Function (EDCF) o Controlled channel access (includes polling) HCCA (HCF controlled channel access) The station that operates as the central coordinator for all other stations within the same QoS supporting BSS (QBSS) is called the hybrid coordinator (HC). o The HC reside inside an AP A BSS that includes an 802.11e-compliant HC is referred to as a QBSS. Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE802.11e Fundamental improvements TXOP (Transmission Opportunity) o TXOP is an interval of time during which a backoff entity has the right to deliver MSDUs. A TXOP is defined by its starting time and duration. An 802.11e station that obtains medium access must not utilize radio resources for a duration longer than a specified limit. o Can be allocated via contention (EDCA-TXOP) or granted through HCF (polled-TXOP or HCCA-TXOP) o The duration of an EDCA-TXOP is limited by a QBSS-wide parameter referred to as TXOP-limit which is distributed regularly by the HC within an information field of the beacon. No station can transmit across a TBTT A station is allowed to transmit frames directly to another backoff entity in a QBSS, without involving communication with the AP o using the direct link protocol (DLP) Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE802.11e EDCF (Enhanced DCF) Review of DCF o CSMA/CA o Transmit the frame directly if the medium is found idle for DIFS (DCF InterFrame Space) o Otherwise, defer the transmission and start the backoff process o Backoff_time = rand[0, CW], CWmin < CW < CWmax o The backoff timer decreases only when the medium become idle. o Transmit the frame once backoff timer expires How to provide priorities o Change the contention window size newCW[TCi] = ((oldCW[TCi]) * PFi ) –1 PFi is the persistence factor o Replace DIFS with AIFS (Arbitration InterFrame Space) AIFS[i] = DIFS + TCi Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE802.11e EDCF CSMA/CA and Exponential Backoff Eight Traffic Categories (TCs) within one station High priority Low priority DCF TC7 TC6 TC5 TC4 TC3 TC2 TC1 TC0 Backoff (AIFS) Backoff (AIFS) Backoff (AIFS) Backoff (AIFS) Backoff (AIFS) Backoff (AIFS) Backoff (AIFS) Backoff (AIFS) Backoff (AIFS) Transmission attempt Scheduler (resolve virtual collisions by granting permission to highest priority) Transmission AIFS:Arbitration Inter-Frame Space attempt Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE802.11e EDCA parameters for AC ¾ 4 access categories (AC), ¾ AIFS[AC] = SIFS + AIFSN[AC] * aSlotTime, AIFSN[AC] ≥ 2. Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE802.11e EDCA and AC Mapping Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE802.11e HCF: Hybrid Coordination Function During CFP o Poll STAs and give a station the permission to access channel o Starting time and maximum duration of each TXOP are specified by the HC During CP o Can use the EDCA rules o HC can issue polled TXOPs in the CP by sending CF-Poll after a PIFS idle period o Controlled Contention Allows STAs to request the allocation of polled TXOPs STAs send resource request frames with the requested TC and duration HC sends an ACK for resource request to the STA TXOP Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE802.11e HCF superframes Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE802.11e Performance Tema 3.Tecnologías inalámbricas de red Redes WLAN: IEEE 802.11 o la capa física o o o o o la capa MAC calidad de servicio: 802.11e seguridad: WAP y 802.11i MIMO: 802.11n herramientas de gestión Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes WEP y IEEE802.11i Wireless LAN Security Issues Issue Wireless sniffer can view all WLAN data packets Anyone in AP coverage area can get on WLAN 802.11 WEP Solution Encrypt all data transmitted between client and AP Without encryption key, user cannot transmit or receive data Wireless LAN (WLAN) Wired LAN client access point (AP) Goal: Make WLAN security equivalent to that of wired LANs (Wired Equivalent Privacy) Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes WEP y IEEE802.11i WEP – Protection for 802.11b Wired Equivalent Privacy o No worse than what you get with wire-based systems. Criteria: o “Reasonably strong” o Self-synchronizing – stations often go in and out of coverage o Computationally efficient – in HW or SW since low MIPS CPUs might be used o Exportable – US export codes (relaxed in Jan 2000 / “Wassenaar Arrangement”) o Optional – not required to used it Objectives: o confidentiality o integrity o authentication Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes WEP y IEEE802.11i WEP – How It Works Secret key (40 bits or 104 bits) o can use up to 4 different keys Initialization vector (24 bits, by IEEE std.) o total of 64 or 128 bits “of protection.” RC4-based pseudo random number generator (PRNG) Integrity Check Value (ICV): CRC 32 Frame header IV (4 bytes) Init Vector (3 bytes) Data (PDU) (≥ 1 byte) 1 byte Pad 6 bits Key ID 2 bits ICV (4 bytes) FCS Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes WEP y IEEE802.11i WEP Encryption Process 1) 2) 3) 4) 5) Compute ICV using CRC-32 over plaintext msg. Concatenate ICV to plaintext message. Choose random IV and concat it to secret key and input it to RC4 to produce pseudo random key sequence. Encrypt plaintext + ICV by doing bitwise XOR with key sequence to produce ciphertext. Put IV in front of cipertext. Initialization Vector (IV) Secret Key Seed WEP PRNG Key Sequence Plaintext Integrity Algorithm Integrity Check Value (ICV) IV Ciphertext Message Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes WEP y IEEE802.11i WEP Decryption Process IV of message used to generate key sequence, k. 2) Ciphertext XOR k Î original plaintext + ICV. 3) Verify by computing integrity check on plaintext (ICV’) and comparing to recovered ICV. 4) If ICV ≠ ICV’ then message is in error; send error to MAC management and back to sending station. 1) Secret Key IV Message Ciphertext WEP PRNG Key Sequence Plaintext Seed Integrity Algorithm ICV’ ICV ICV’ - ICV Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes WEP y IEEE802.11i WEP Station Authentication Wireless Station (WS) sends Authentication Request to Access Point (AP). AP sends (random) challenge text T. WS sends challenge response (encrypted T). AP sends ACK/NACK. WS Auth. Req. AP Challenge Text Challenge Response Ack Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes WEP y IEEE802.11i WEP Weaknesses Forgery Attack o Packet headers are unprotected, can fake src and dest addresses. o AP will then decrypt data to send to other destinations. o Can fake CRC-32 by flipping bits. Replay o Can eavesdrop and record a session and play it back later. Collision (24 bit IV; how/when does it change?) o Sequential: roll-over in < ½ day on a busy net o Random: After 5000 packets, > 50% of reuse. Weak Key o If ciphertext and plaintext are known, attacker can determine key. o Certain RC4 weak keys reveal too many bits. Can then determine RC4 base key. Well known attack described in Fluhrer/Mantin/Shamir paper o “Weaknesses in the Key Scheduling Algorithm of RC4”, Scott Fluhrer, Itsik Mantin, and Adi Shamir o using AirSnort: http://airsnort.shmoo.com/ Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes WEP y IEEE802.11i Ways to Improve Security with WEP Use WEP(!) Change wireless network name from default o any, 101, tsunami Turn on closed group feature, if available in AP o Turns off beacons, so you must know name of the wireless network MAC access control table in AP o Use Media Access Control address of wireless LAN cards to control access Use Radius support if available in AP o Define user profiles based on user name and password War Driving in New Orleans (back in December 2001) o Equipment Laptop, wireless card, software GPS, booster antenna (optional) o Results 64 Wireless LAN’s Only 8 had WEP Enabled (12%) 62 AP’s & 2 Peer to Peer Networks 25 Default (out of the box) Settings (39%) 29 Used The Company Name For ESSID (45%) Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes WEP y IEEE802.11i War Driving in New Orleans (back in December 2001) Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes WEP y IEEE802.11i 802.11i Task Group Recommendations Mutual Authentication Dynamic Session Key Message Integrity Check (MIC) Temporal Key Integrity Protocol (TKIP) o Per-packet Key Hashing o Initialization Vector Sequencing o Rapid Re-Keying Future o Stronger encryption schemes such as AES Tema 3.Tecnologías inalámbricas de red Redes WLAN: IEEE 802.11 o la capa física o o o o o la capa MAC calidad de servicio: 802.11e seguridad: WAP y 802.11i MIMO: 802.11n herramientas de gestión Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 0 1 IEEE802.11n Ways to increase data rate Conventional single tx and rx radio systems o Increase transmit power Subject to power amplifier and regulatory limits Increases interference to other devices Reduces battery life o Use high gain directional antennas Fixed direction(s) limit coverage to given sector(s) o Use more frequency spectrum Subject to FCC / regulatory domain constraints Advanced MIMO: Use multiple tx and / or rx radios! Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE802.11n Conventional (SISO): Wireless Systems channel Bits DSP Radio TX Bits DSP RX Conventional “Single Input Single Output” (SISO) systems were favored for simplicity and low-cost but have some shortcomings: o Outage occurs if antennas fall into null Switching between different antennas can help o Energy is wasted by sending in all directions Can cause additional interference to others o Sensitive to interference from all directions o Output power limited by single power amplifier 1 0 2 Radio Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 0 3 IEEE802.11n MIMO Wireless Systems D S P Bits TX Radio Radio channel Radio Radio D S P Bits RX Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems with multiple parallel radios improve the following: o Outages reduced by using information from multiple antennas o Transmit power can be increased via multiple power amplifiers o Higher throughputs possible o Transmit and receive interference limited by some techniques Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 0 4 IEEE802.11n MIMO Alternatives There are two basic types of MIMO technology: o Beamforming MIMO Standards-compatible techniques to improve the range of existing data rates using transmit and receive beamforming Also reduces transmit interference and improves receive interference tolerance o Spatial-multiplexing MIMO Allows even higher data rates by transmitting parallel data streams in the same frequency spectrum Fundamentally changes the on-air format of signals – Requires new standard (11n) for standards-based operation – Proprietary modes possible but cannot help legacy devices Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE802.11n Beamforming MIMO Overview Consists of two parts to make standard 802.11 signals “better Uses multiple transmit and/or receive radios to form coherent 802.11a/b/g compatible signals o Receive beamforming / combining boosts reception of standard 802.11 signals D S P Radio Bits TX Radio Radio Bits RX Phased array transmit beamforming to focus energy to each receiver D S P Bits 1 0 5 TX Radio Radio Radio Bits RX Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 0 6 IEEE802.11n Benefits of Beamforming Benefits o Power gain (applicable only to transmit beamforming) Power from multiple PA’s simultaneously (up to regulatory limits) Relaxes PA requirements, increases total output power delivered o Array gain: “dynamic high-gain antenna” o Interference reduction Reduce co-channel inter-cell interference o Diversity gain: combats fading effects o Multipath mitigation Per- subcarrier beamforming to reduce spectral nulls Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE802.11n Multipath Mitigation o Multiple transmit and receive radios allow compensation of notches on one channel by nonnotches in the other o Same performance gains with either multiple tx or rx radios and greater gains with both multiple tx and rx radios 1 0 7 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE802.11n Spatial Multiplexing MIMO Concept Spatial multiplexing concept: o Form multiple independent links (on same channel) between transmitter and receiver to communicate at higher total data rates DSP Bits Bit Split TX 1 0 8 DSP Radio Radio Radio Radio DSP DSP Bit Merge RX Bits Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE802.11n Spatial Multiplexing MIMO Difficulties Spatial multiplexing concept: o Form multiple independent links (on same channel) between transmitter and receiver to communicate at higher total data rates o However, there are cross-paths between antennas DSP Bits Bit Split TX 1 0 9 DSP Radio Radio Radio Radio DSP DSP Bit Merge RX Garbage Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE802.11n Spatial Multiplexing MIMO Reality Spatial multiplexing concept: o Form multiple independent links (on same channel) between transmitter and receiver to communicate at higher total data rates o However, there are cross-paths between antennas o The correlation must be decoupled by digital signal processing algorithms DSP Bits Bit Split TX 1 1 0 DSP Radio Radio Radio Radio D S P Bit Merge RX Bits Tema 3.Tecnologías inalámbricas de red Redes WLAN: IEEE 802.11 o la capa física o o o o o la capa MAC calidad de servicio: 802.11e seguridad: WAP y 802.11i MIMO: 802.11n herramientas de gestión Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes herramientas Herramientas genéricas Existen varias herramientas de red de propósito general, que suelen estar disponibles para la mayor parte de los sistemas operativos, y que permiten obtener información importante relativa a conectividad, direccionamiento IP, etc. Estas son: o o o o ipconfig / ifconfig route ping / traceroute Ethereal (aplicación que no integra el S.O.) Por otro lado están disponibles herramientas de red que sólo se aplican a las redes locales inalámbricas, como: o Kismet o Airopeek o Network Stumbler Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes herramientas Ethereal Herramienta de código abierto disponible para Linux y Windows Permite capturar paquetes en modo promiscuo de cualquier interface del sistema Ofrece una descripción muy detallada de cada paquete recibido, permitiendo visualizar las diferentes cabeceras de los protocolos utilizados y el contenido de los datos (¡peligroso!) Permite guardar los resultados del análisis en un fichero y recuperarlos más tarde Permite obtener estadísticas variadas Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes herramientas Ethereal Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes herramientas Kismet Kismet es una herramienta que opera con información del nivel MAC de 802.11. Puede funcionar como: o Detector de redes inalámbricas o Sniffer (captura de paquetes en modo promiscuo) o Sistema de detección de intrusos Además tiene otras características que lo hacen muy interesante como: o compatibilidad con Ethereal y Airsnort o detección de rango IP de la red o Descubierta de puntos de acceso ocultos Kismet viene con su propio programa de GPS que permite interpolación de valores, aunque no es muy exacto: Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes herramientas gKismet Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes herramientas Network Stumbler Busca tramas de gestión 802.11 Permite guardar y exportar los datos en varios formatos distintos Soporta GPS y permite guardar información GPS juntamente con los demás datos Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes herramientas Network Stumbler El interface gráfico utilizado es muy intuitivo y permite variados tipos de análisis de forma sencilla y directa: Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes herramientas Network Stumbler Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes herramientas Optimización: Beacons Algunos puntos de acceso permiten ajustar el intervalo entre beacons consecutivos. Aumentar la tasa de generación de beacons ofrece como ventajas: o Permitir que el escaneo por parte de los clientes sea más rápido y fiable o Permitir, además, que el roaming entre puntos de acceso se haga de forma más rápida y eficiente. Por otro lado, reducir la tasa de generación de beacons también tiene algunas ventajas: o Los beacons consumen recursos del canal, reduciendo el ancho de banda disponible o De forma indirecta, aumento las capacidades de ahorro de energía de los nodos móviles Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes herramientas Optimización: Umbral de RTS/CTS Si el entorno de trabajo es suficiente grande como para que existan varios terminales inalámbricos que no están al alcance uno del otro, pero comparten un mismo punto de acceso o terminal intermedio, habilitar la función de RTS/CTS puede mejorar las prestaciones si la congestión es elevada. En general, si la red no está congestionada, activar el RTS/CTS provocará una disminución del ancho de banda disponible. Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes herramientas Optimización: Umbral de fragmentación El 802.11 ofrece soporte a la fragmentación como solución para intentar reducir los efectos de las interferencias En entornos donde existe ruido electromagnético en forma de ráfagas, la fragmentación permite ajustar el nivel de robustez: Mayores valores para el umbral de fragmentación permite aumentar el ancho de banda en general, pero reduce la robustez ante errores Menores valores para este umbral reduce el ancho de banda disponible en general, pero permite obtener mejores prestaciones si el entorno es ruidoso Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes herramientas Optimización: Retry limits La mayor parte de dispositivos inalámbricos permite ajustar los valores de los limites para reintento de transmisión. El “short retry limit” indica el numero de reintentos para tramas de tamaño inferior al umbral de RTS/CTS. El “long retry limit” indica el numero de reintentos para tramas de tamaño igual o superior al umbral de RTS/CTS. Si aumentamos estos valores, ofrecemos más fiabilidad a las estaciones que sufren de peores condiciones en términos de relación señal ruido. Por otra parte, a nivel global el efecto suele ser el de reducir el ancho de banda agregado de la red. Si disminuimos los valores logramos menor ocupación de buffers y por veces mejor comportamiento por parte de TCP. Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes herramientas Optimización: Ahorro de energía La opción de ahorro de energía permite a las estaciones móviles desconectar sus dispositivos inalámbricos durante ciertos periodos Sí estamos ante una red de infraestructura (típico) el punto de acceso deberá guardar en un buffer todos los paquetes destinados a estaciones durmientes hasta que estas se despierten. Problemas: o Si el numero de estaciones en modo de ahorro de energía es elevado, el punto de acceso puede sobrecargarse o restringir nuevas conexiones o Para aplicaciones con requisitos de calidad de servicio, las interrupciones causadas por el modo de ahorro de energía pueden ser problemáticas Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes herramientas Optimización: Potencia de la señal Si un punto de acceso o dispositivo inalámbrico permite ajustar la potencia de la señal, esto permite obtener beneficios: o Puedo aumentar de forma sencilla el área de cobertura de un punto de acceso o Mayor potencia en la señal recibida implica mayor robustez ante errores, lo que reduce el numero de retransmisiones y aumenta el ancho de banda o El 802.11 permite ajustar el bitrate según la calidad de la señal, por lo que puedo aumentar aún más el ancho de banda Por otro lado también puede generar problemas: o Aumento la interferencia con puntos de acceso / terminales cercanos que operan en el mismo canal, pudiendo reducir el ancho de banda agregado de la red o Facilito la detección de los puntos de acceso por entidades exteriores o Reduzco el tiempo de vida de los dispositivos con batería Tema 3.Tecnologías inalámbricas de red Redes WPAN: Bluetooth agradecimientos/acknowledgments Foo Chun Choong, Ericsson Research / Cyberlab Singapore, and Open Source Software Lab, ECE Dept, NUS. Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Bluetooth Specifications Bluetooth is a system solution comprising hardware, software and interoperability requirements. The Bluetooth specifications specify the complete system. De facto standard - open specifications. Two part document - Volume 1:Core and Volume 2:Profiles. Bluetooth specs developed by Bluetooth SIG. o February 1998: The Bluetooth SIG is formed promoter company group: Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba o May 1998: The Bluetooth SIG goes “public” o July 1999: 1.0A spec (>1,500 pages) is published o December 1999: ver. 1.0B is released o December 1999: The promoter group increases to 9 3Com, Lucent, Microsoft, Motorola o February 2000: There are 1,500+ adopters 0.7 ---> 0.9 ---> 1.0A ---> 1.0B ---> 1.1 --> November 2003: release 1.2 Currently (November 2004), release 2.0 1 2 7 o (aka EDR or Extended Data Rate) triples the data rate up to about 2 Mb/s 1 2 8 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes release 2.0: the new partitioning Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 2 9 Bluetooth usage Low-cost, low-power, short range radio Ö a cable replacement technology o Common (File transfer, synchronisation, internet bridge, conference table) o Hidden computing (background synchronisation, audio/video player) o Future (PC login, remote control) Why not use Wireless LANs? o power o cost Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 3 0 Bluetooth RF 1 Mb/s symbol rate Normal range 10m (0dBm) Optional range 100m (+20dBm) Normal transmission power 0dBm (1mW) Optional transmission power -30 to +20dBm (100mW) Receiver sensitivity -70dBm Frequency band 2.4Ghz ISM band Gross data rate 1Mbit/s Max data transfer 721+56kbps/3 voice channels Power consumption 30uA(max), 300uA(standby), ~50uA(hold/park) Packet switching protocol based on frequency hop scheme with 1600 hops/s Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Bluetooth Power Class Table Power Class Max Output Power Max Output Power Expected Range Range in Free Space Class 1 100mW 20dBm 42m 300m Class 2 2.5mW 4dBm 16m 50m Class 3 1mW 0dBm 10m 30m Bluetooth Power Class Table 1 3 1 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Bluetooth Network Topology Bluetooth devices have the ability to work as a slave or a master in an ad hoc network. The types of network configurations for Bluetooth devices can be three. o Single point-to-point (Piconet): In this topology the network consists of one master and one slave device. o Multipoint (Piconet): Such a topology combines one master device and up to seven slave devices in an ad hoc network. o Scatternet: A Scatternet is a group of Piconets linked via a slave device in one Piconet which plays master role in other Piconet. The Bluetooth standard M M M Master/Slave S M S S 1 3 2 S S S i) Piconet (Pointto-Point) S S ii) Piconet (Multipoint) S S iii) Scatternet does not describe any routing protocol for scatternets and most of the hardware available today has no capability of forming scatternets. Some even lack the ability to communicate between slaves of one piconet or to be a member of two piconets at the same time. Composed of protocols to allow Bluetooth devices to locate each other and to create, configure and manage both physical and logical links that allow higher layer protocols and applications to pass data through these transport protocols IP SDP RFCOMM Data Audio Transport Protocol Group 1 3 3 Applications Source: Farinaz Edalat, Ganesh Gopal, Saswat Misra, Deepti Rao Co ntr ol Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Bluetooth Protocol Stack L2CAP Link Manager Baseband RF Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 3 4 Transport Protocol Group (contd.) Radio Frequency (RF) o Sending and receiving modulated bit streams Baseband o Defines the timing, framing o Flow control on the link. Link Manager The Radio, Baseband and Link Manager are on firmware. The higher layers could be in software. The interface is then through the Host Controller (firmware and driver). The HCI interfaces defined for Bluetooth are UART, RS232 and USB. o Managing the connection states. o Enforcing Fairness among slaves. o Power Management Logical Link Control & Adaptation Protocol o Handles multiplexing of higher level protocols o Segmentation & reassembly of large packets o Device discovery & QoS BLUETOOTH SPECIFICATION, Core Version 1.1 page 543 Source: Farinaz Edalat, Ganesh Gopal, Saswat Misra, Deepti Rao Additional transport protocols to allow existing and new applications to operate over Bluetooth. Packet based telephony control signaling protocol also present. Also includes Service Discovery Protocol. IP SDP RFCOMM Data Middleware Protocol Group Service Discovery Protocol (SDP) ¾ Means for applications to discover device info, services and its characteristics. TCP/IP ¾ Network Protocols for packet data communication, routing RFCOMM 1 3 5 Applications ¾ Cable replacement protocol, emulation of serial ports over wireless network Source: Farinaz Edalat, Ganesh Gopal, Saswat Misra, Deepti Rao Audio Co ntr ol Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Middleware Protocol Group L2CAP Link Manager Baseband RF Application Group Applications IP Consists of Bluetooth aware as well as un-aware applications. SDP RFCOMM Data Audio L2CAP Link Manager Baseband RF 1 3 6 Source: Farinaz Edalat, Ganesh Gopal, Saswat Misra, Deepti Rao Co ntr ol Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Application Group 1 3 7 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Bluetooth stack: short version Applications RFCOMM SDP L2CAP HCI Link Manager Baseband RF Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 3 8 End to End Overview of Lower Software Layers to Transfer Data BLUETOOTH SPECIFICATION, Core Version 1.1 page 544 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 3 9 Time-Division Duplex Scheme Bluetooth devices use a Time-Division Duplex (TDD) scheme Channel is divided into consecutive slots (each 625 µs) One packet can be transmitted per slot Subsequent slots are alternatively used for transmitting and receiving o Strict alternation of slots b/t the master and the slaves o Master can send packets to a slave only in EVEN slots o Slave can send packets to the master only in the ODD slots Source: Farinaz Edalat, Ganesh Gopal, Saswat Misra, Deepti Rao Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 4 0 Frequency Hop Spread-Spectrum Bluetooth channel is represented by a pseudo random hopping sequence through the entire 79 RF frequencies Nominal hop rate of 1600 hops per second Channel Spacing is 1 MHz Area USA Europe Spain France Japan Frequency Band (GHz) 2.400-2.4835 2.400-2.4835 2.445-2.475 2.4465-2.4835 2.471-2.497 Bluetooth Channels 79 79 23 23 23 Source: Farinaz Edalat, Ganesh Gopal, Saswat Misra, Deepti Rao Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 4 1 Physical Link Definition Synchronous Connection-Oriented (SCO) Link o circuit switching o symmetric, synchronous services o slot reservation at fixed intervals Asynchronous Connection-Less (ACL) Link o packet switching o (a)symmetric, o asynchronous services o polling access scheme Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 4 2 ACL data rates Packet type Name Symmetric (kbps) Asymmetric (kbps) 1 slot + FEC DM1 108.8 108.8 108.8 1 slot DH1 172.8 172.8 172.8 3 slot + FEC DM3 256.0 384.0 54.4 3 slot DH3 384.0 576.0 86.4 5 slot + FEC DM5 286.7 477.8 36.3 5 slot DH5 432.6 721.0 57.6 1 4 3 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Multi-slot packets fn Single slot Three slot Five slot fn+1 fn+2 fn+3 fn+4 fn+5 1 4 4 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Symmetric single slot fn Master Slave fn+1 fn+2 fn+3 fn+4 fn+5 fn+6 fn+7 fn+8 fn+9 fn+10 fn+11 fn+12 1 4 5 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Mixed Link Example MASTER SLAVE 1 SLAVE 2 SLAVE 3 SCO ACL SCO ACL ACL SCO SCO ACL Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Polling on ACL links Slave is allowed to send only after it has been polled. Master polls slave at least Npoll slots (negotiated). Master may send at will. Polling algorithm is proprietary. POLL Data Master Data Slave Slot TDD frame 1 4 6 time Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Bluetooth Connection States 1 4 7 There are four Connection states on Bluetooth Radio: Active: Both master and slave participate actively on the channel by transmitting or receiving the packets (A,B,E,F,H) Sniff: In this mode slave rather than listening on every slot for master's message for that slave, sniffs on specified time slots for its messages. Hence the slave can go to sleep in the free slots thus saving power (C) Hold: In this mode, a device can temporarily not support ACL packets and go to low power sleep mode to make the channel available for things like paging, scanning etc (G) Park: Slave stays synchronized but not participating in the Piconet, then the device is given a Parking Member Address (PMA) and it loses its Active Member Address (AMA) (D,I) A H B C Master H D E I G Bluetooth Connection States C F Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Bluetooth Forming a Piconet 1 4 8 Inquiry: Inquiry is used to find the identity of the Bluetooth devices in the close range. Inquiry Scan: In this state, devices are listening for inquiries from other devices. Inquiry Response: The slave responds with a packet that contains the slave's device access code, native clock and some other slave information. Page: Master sends page messages by transmitting slave's device access code (DAC) in different hop channels. Page Scan: The slave listens at a single hop frequency (derived from its page hopping sequence) in this scan window. Slave Response: Slave responds to master's page message Master Response: Master reaches this substate after it receives slave's response to its page message for it. Master Inquiry Slave 1 Inquiry Scan 2 3 Page Inquiry Response 4 5 Page Scan Slave Response 6 Master Response 7 Connection Connection Forming a Piconet Procedures Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Connection State Machine Inquiry Page Standby Connected Transmit data Park 1 4 9 Source: Farinaz Edalat, Ganesh Gopal, Saswat Misra, Deepti Rao Hold Sniff Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes SDP - Service Discovery Focus o Service discovery within Bluetooth environment o Optimized for dynamic nature of Bluetooth o Services offered by or through Bluetooth devices Some Bluetooth SDP Requirements (partial list) o Search for services based upon service attributes and service classes o Browse for services without a priori knowledge of services o Suitable for use on limited-complexity devices o Enable caching of service information How it works? o Establish L2CAP connection to remote device o Query for services Search for specific class of service, or Browse for services 1 5 0 o Retrieve attributes that detail how to connect to the service o Establish a separate (non-SDP) connection to use the service Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 5 1 L2CAP packet format 16 Length L2CAP 72 Baseband 16 Access Code 0 - 65,535 bits DCID Payload 54 bits Header Payload Header Payload CRC Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Packet Structure 72 bits 54 bits Access Code Header Payload Control packets ID* Null Poll FHS DM1 Guard Data/voice packets data Voice HV1 HV2 HV3 DV •No retries •No CRC •FEC (optional) 1 5 2 220µs 0 - 2745 bits Source: Farinaz Edalat, Ganesh Gopal, Saswat Misra, Deepti Rao (136 bits) DH1 DH3 DH5 (2712 bits) DM1 DM3 DM5 Header Data •ARQ •CRC •FEC (optional) CRC 1 5 3 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Bluez 1 5 4 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Resultados: Prueba de Interferencia 1 5 5 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Resultados: Tiempo de Inquiry 1 5 6 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Resultados: Comparación throughput Represents default solution for a usage model Vertical slice through the protocol stack Basis for interoperability and logo requirements Each Bluetooth device supports one or more profiles Applications Protocols Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 5 7 Interoperability & Profiles Profiles Source: Dr. Chatschik Bisdikian [BT_OVERVIEW_UNIVMARYLAND_03_2001.PPT] Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Bluetooth 1.0 - Usage Models Internet Bridge o Dial-up Networking & Fax capabilities o Notebook or desktop computer as data terminal o Mobile phone or cordless modem as modem Headset o Wireless audio capability o Headset as audio input and output device o Mobile Phone as audio gateway Cordless Phone & Intercom o Cordless phone - connection to PSTN at home or the office incurring a fixed line charge. calls via a voice basestation o Intercom - connection directly to other phones 1 5 8 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 5 9 Bluetooth 1.0 - Usage Models (cont.) File Transfer & Object Exchange o Transfer data objects from one device to another. Generic object types, e.g., xls, ppt, wav, jpg, doc, entire folders, … Possibility to browse the contents of the folders on a remote device. o Simple push and exchange operations, e.g., business card exchange Synchronization o Sync of PIM data - typically phonebooks, calendars, messages, and notes LAN Access o Multiple data terminals use a LAN access point as a wireless connection to a LAN o DTs operate as connected to the LAN via dialup networking. Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 6 0 Next Steps of Bluetooth Bluetooth in and around the Car Bluetooth “Spontaneous” Networking Still Imaging Bluetooth Printing Native support for richer audio/voice/video Bluetooth Human Interface Device (HID) 1 6 1 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Bluetooth Profiles Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 6 2 Bluetooth Modules – Free2Move Bluetooth modules add the components needed to make a working radio: crystal, antenna, flash memory. The current generation of modules measure about 1”x0.5” w/ antenna. Free2Move (Sweden) has some particularly interesting modules based on CSR BlueCore2-flash chips with audio. This radio offers a functioning SPP for serial data, a 15-bit audio channel, and another 8-bit A/D channel. Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 6 3 More Bluetooth Hardware Cambridge Scientific Radio (CSR) chips (in most peripherals) BlueCore2 chip Bluetooth v1.1, 16-bit XAP2 processor, A/D, audio options BlueCore3 chip Bluetooth v1.1-1.2, XAP2 processor, audio DSP option BlueCore4 chip Bluetooth V2.0, XAP2 processor AT&T Broadcom chips (in many PC + PDAs) BCM2040 Bluetooth v1.1-1.2, 8-bit 8051 processor BCM2037 Bluetooth v2.0 with audio, 16-bit ARM7 processor BCM2045 Bluetooth v2.0 host side chip Class 2 Modules (with antenna) Free2Move FM03AC2 Bluetooth v1.1 qualified, SPP, 15-bit audio + 8 bit A/D Taiyo Yuden EYMF2CAMM-XX Bluetooth v1.1 qualified, serial port profile BlueGiga WT12 Bluetooth v2.0 EDR qualified, serial port profile + PCM Class 1 Modules (no antenna) Free2Move FM2M03C1 Bluetooth v1.1 qualified, SPP, 15-bit audio + 8 bit A/D BlueGiga Wrap Thor 2022 Bluetooth v1.1 qualified, SPP, DUN, OBEX, HID Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 6 4 Otras tecnologías HomeRF o HomeRF-Lite Ö Philips RF-Lite Program Ö Firefly Zigbee Cypress WirelessUSB Tema 3.Tecnologías inalámbricas de red Otros estándares IEEE 802 Redes Inalámbricas y Computación Ubicua/2006-2007 1 6 6 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE 802 Working Group 1 6 7 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE 802.15 Working Group for WPAN Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 6 8 IEEE 802.15 - General Wireless Personal Area Networks (WPANs) o Short Range o Low Power o Low Cost o Small Networks Communication within a persons operating space Outline: o IEEE 802.15.1 – ”Bluetooth” o IEEE 802.15.3 – High data rate WPAN o IEEE 802.15.4 – Low data rate WPAN Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 6 9 IEEE 802.15.2 IEEE 802.15.2 o Coexistence between 802.15 and 802.11 o Predefined traffic management rules for coexistence Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 7 0 Broadband Wireless Access (BWA) What is a BWA? o High speed connection o Uses radio waves o Point to multipoint system Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 7 1 Broadband Access to Buildings The “Last Mile” o Fast local connection to network Business and residential customers want it o Data o Voice o Video distribution o Real-time videoconferencing o etc. High-capacity cable/fiber to every user is expensive o Construction costs do not follow Moore’s Law Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes WirelessMAN: Wireless Metropolitan Area Network Basestation SOHO customer Residential customer Multi-tenant customers Core network 1 7 2 repeater Basestation Source: Nokia Networks SME customer Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Properties of IEEE Standard 802.16 Broad bandwidth o Up to 134 Mbit/s in 28 MHz channel (in 10-66 GHz air interface) Supports multiple services simultaneously with full QoS o Efficiently transport IPv4, IPv6, ATM, Ethernet, etc. Bandwidth on demand (frame by frame) MAC designed for efficient used of spectrum Comprehensive, modern, and extensible security Supports multiple frequency allocations from 2-66 GHz o ODFM and OFDMA for non-line-of-sight applications Link adaptation: Adaptive modulation and coding o Subscriber by subscriber, burst by burst, uplink and downlink Point-to-multipoint topology, with mesh extensions Support for adaptive antennas and space-time coding Extensions to mobility are coming next. 1 7 3 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes WiMAX Forum o It is a non-profit organization o It was formed in 2003 o It has more than 110 members such as Alcatel, AT&T, Intel, Nortel, Motorola, SBC, Siemens, and so forth.. Mission: To promote deployment of BWA by using a global standard and certifying interoperability of products and technologies. Principles: o Support IEEE 802.16 above 11 GHz o Propose access profiles for the IEEE 802.16 standard o Guarantee known interoperability level o Promote IEEE 802.16 standard to achieve global acceptance o Open for everyone to participate 1 7 4 WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access Developing & submitting baseline test specs Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 7 5 WiMAX Technology Worldwide Interoperability of Microwave Access (WiMAX) It will provide fixed, nomadic, portable and, eventually, mobile wireless broadband connectivity. connectivity at rates of up to 75 Mb/sec WiMAX 10-66 GHz technical working group o two MAC system profile o two primary PHY system profile WiMAX 2-11 GHz technical working group o defining MAC and PHY system profile for IEEE 802.16e and HiperMAN standards. Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 7 6 What is WiMAX, 802.16d and e A specification of 915 pages accepted in 2004. A member of the IEEE802 family of specifications. IEEE802.16-2004 include P2P, P2MP and mesh access networks 2-11GHz NLOS 10-66 GHz LOS During 2005 IEEE 802.16e includes mobility. During 2005 MIB standardized as well IEEE802.16 is supported by the industry group WiMAX IEEE802.11 is supported by the industry group WiFi 1 7 7 Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 7 8 WiMAX vs. 3G, pros and cons Cost o Lower equipment cost for WiMAX due to certified products (compare with WiFi) o WiMAX require new infrastructure while HSPA rides on UMTS Coverage o Roughly the same coverage (average ~5 km) Performance o Roughly the same performance (average ~2 Mb/s per user) Market window o HSDPA launches in 2006 while HSUPA will come in 2008? o WiMAX standard set end of 2005 -> first products in 2007 Acceptance o HSPA has a higher acceptance with mobile operator Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 7 9 IEEE Standard 802.16: Tutorial IEEE Communications Magazine, June 2002 (available on 802.16 web site) Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 8 0 IEEE 802.20 MBWA an overview MBWA Working Group was approved on the 11th of December 2002 To prepare a formal specification for a packed-based air interface designed for IP-based services with peak data rates per user in excess of 1 Mbps Will address MBWA in licensed bands below 3.5 GHz MBWA Could provide commuters with reliable high-speed wireless voice and data links from trains and cars travelling at up to 250km/h (155miles/h). Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes The vision of the IEEE 802.20 Mobile Broadband Wireless Access Home Domain Video Streaming Conferencing Apps Video Streaming Conferencing Apps Field Service Apps Portable Remote Access Services Work Domain Portable Office Seamless Ubiquitous Experience High BW Connectivity Hotel/Motel Mobile Office (Voice and Data Apps) Mobile Domain Portable Services Reservations-Listings Directions Services 1 8 1 Video Streaming Conferencing Apps Mobile Commerce Services Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 8 2 .16 and .20 comparison IEEE 802.20 and IEEE 802.16e standards seem very similar. But there are some important differences !!! 802.16e ¾It is the extension of an existing standard 802.20 ¾It is starting from scratch ¾It operates in the 2 to11 GHz licensed spectrum ¾It operates in the licensed band below 3.5 GHz ¾ Speeds of 75 to 93 miles/h ¾Speeds of 155 miles/ h Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Wireless Broadband Access Technology WAN 3GPP, EDGE (GSM) IEEE 802.20 (proposed) IEEE 802.16/16a/16e Wireless MAN IEEE 802.11/11a/11b/11g Wireless LAN IEEE 802.15 Bluetooth 1 8 3 MAN LAN PAN ETSI HiperMAN & HIPERACCESS ETSI HiperLAN ETSI HiperPAN Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 8 4 802.21 Approved as a full IEEE WG Feb 27th Has been meeting as an ECSG for 1 year Initial charter to study handover between o 802.x Ù 802.x (where handover not supported) o 802.x Ù 802.y (where x may not equal y) o 802.x ÙNon 802 (e.g. cellular) Now has approved PAR (Project Authorization Request) for ‘Media Independent Handover Services’ Motivations: o Multi-Interfaced Devices o Session maintenance Across heterogeneous media Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes Relevant Elements in Network L3 Network AR AP 802.y AP 802.x AP 802.x AR AR AP 802.x AP 802.y Potential links 802.x One or more 802 interfaces 1 8 5 802.y Mobile Device y=x | y!=x Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes IEEE Standards RAN IEEE 802.22 40 km sec µ 25 w o sec in d µ W 2.2 tion ) orp refix 5 s 2 0. h ab lic p a t yc ltip (C 0.8 Mu 18 Mbps BW= 6,7,8 MHz 54 - 862 MHz 1 8 6 “Regional Area Network” Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 8 7 IEEE 802.22 Project Authorization Request (PAR) Wireless Regional Area Networks (WRAN) 802.22 is to define: o MAC: Cognitive Wireless RAN Medium Access Control o PHY: Physical Layer specifications o Policies and procedures for operation in the TV Bands “This standard specifies the air interface, including the medium access control layer (MAC) and physical layer (PHY), of fixed pointto-multipoint wireless regional area networks operating in the VHF/UHF TV broadcast bands between 54 MHz and 862 MHz.” Redes Inalámbricas Inalámbricas yy Computación Computación Ubicua/2006-2007 Ubicua/2006-2007 Redes 1 8 8 IEEE 802.22 Project Authorization Request (PAR) Purpose: “This standard is intended to enable deployment of interoperable 802 multivendor wireless regional area network products, to facilitate competition in broadband access by providing alternatives to wireline broadband access and extending the deployability of such systems into diverse geographic areas, including sparsely populated rural areas, while preventing harmful interference to incumbent licensed services in the TV broadcast bands.” Reason: “There is a large, untapped market for broadband wireless access in rural and other unserved/underserved areas where wired infrastructure cannot be economically deployed. Products based on this standard will be able to serve those markets, taking advantage of the favorable propagation characteristics in the VHF and low UHF TV bands and increase the efficiency of spectrum utilization in spectrum currently allocated to, but unused by, the TV broadcast service.”