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Lehrstuhl für Informatik 4
Kommunikation und verteilte Systeme
134Kapitel 3: Netze
Entwurfsziele für drahtlose Netze (WLAN/WPAN)
• weltweite Funktion
• möglichst geringe Leistungsaufnahme wegen Batteriebetrieb• Betrieb ohne Sondergenehmigungen bzw. Lizenzen möglich
• robuste Übertragungstechnik• Vereinfachung der (spontanen) Zusammenarbeit bei Treffen
• einfache Handhabung und Verwaltung• Schutz bereits getätigter Investitionen im Festnetzbereich
• Sicherheit hinsichtlich Abhören vertraulicher Daten und auch hinsichtlich der Emissionen
• Transparenz hinsichtlich der Anwendungen und Protokolle höherer Schichten
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Kommunikation und verteilte Systeme
135Kapitel 3: Netze
Genereller Aufbau von Funknetzen
1. Netze mit fester Infrastruktur
• Infrastruktur bedeutet: feststehendes Netz, z.B. Ethernet oder Satellitenstrecken
• Zentraler Access Point (AP), drahtlose Geräte kommunizieren nur mit dem AP
• Kontrollfunktionalitäten (Medienzugriff, Mobilitätsmanagement, Authentisierung, …) sind in der Infrastruktur realisiert
• Komplexität liegt in den Infrastrukturkomponenten, drahtlose Geräte brauchen nur ein Minimum an Funktionalität zu realisieren
2. Ad-hoc-Netze
• Keine Infrastruktur – die drahtlosen Geräte kommunizieren direkt
• Höhere Komplexität der Geräte, da jedes Gerät alle Zugriffs- und Kontrollmechanismen implementieren muss
InfrastrukturL a p to pAP
APAPL a p to pL a p to p L a p to p L a p to p
LaptopLaptop
Laptop
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136Kapitel 3: Netze
Drahtloses Ethernet
• Drahtloses Äquivalent zu Ethernet: "Wireless LAN" (WLAN)• Ausschließlich datenorientierte, breitbandige Internetzugangslösung
• Standardisiert von der IEEE als IEEE 802.11� 1997: IEEE 802.11 (Bandbreiten von maximal 2 Mb/s)
� IEEE 802.11a mit 54 Mb/s durch Verwendung eines (störanfälligeren) Frequenzbandes mit größerer Kapazität
� 1999: IEEE 802.11b (Brutto-Datenrate von 11 MB/s bei einem Nutzdatenanteil von bis zu 6 Mb/s)
� IEEE 802.11g: höhere Datenraten (zukünftig Datenraten von bis zu 100 Mb/s)� …
802.11
• 1 oder 2 Mbit• 2,4 GHz• FHSS, DSSS
802.11a
• 54 Mbit• 5 GHz• FHSS, DSSS
802.11b
• 11 Mbit• 2,4 GHz• nur DSSS
802.11g
• Erweiterung auf20 bzw. 54 Mbit
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137Kapitel 3: Netze
WLAN: IEEE 802.11b
• Datenraten– 1, 2, 5.5, 11 Mbit/s, abhängig von SNR (Signal-to-Noise-Ratio)– Nutzdatenrate max. ca. 7 Mbit/s
• Kommunikationsbereich– 300m Außen-, 30m Innenbereich– Maximale Datenrate erreichbar bis ~10m (in Gebäuden)
• Frequenzbereich– Freies 2.4 GHz ISM-Band (2.4 - 2.4835 GHz)
• Sendeleistung– maximal 100 mWatt
• Vorteil: – viele installierte Systeme, weltweite Verfügbarkeit, freies ISM-Band, viele
Firmen, integriert in Laptops, einfaches System• Nachteil:
– starke Störungen auf dem ISM-Band (Bluetooth, Mikrowellenherde, Mikrowellenbeleuchtung, analoge TV-Übertragung, Überwachung, lizenzfreie Stadtnetze), keine Dienstgüte, relativ niedrige Datenraten
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Kommunikation und verteilte Systeme
138Kapitel 3: Netze
Aufbau eines WLAN
Integration in ein bestehendes Festnetz:
FestnetzLaptopAP
APAP
LaptopLaptop Laptop Laptop
• An ein bestehendes Festnetz werden sogenannte Access Points (APs) angeschlossen
• Jeder AP regelt alle Kommunikation in seinem Empfangsbereich
• APs mit gleichen Kanälen müssen weit genug auseinander stehen, um Störungen zu vermeiden
LaptopLaptop
Laptop
Bildung eines Ad-hoc-Netzes:• Steht kein AP zur Verfügung, können
Stationen auch ein eigenes LAN aufbauen
• Die Übertragung findet nun direkt zwischen den Stationen statt
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139Kapitel 3: Netze
APs in Aachen - MoPS
www.mops.rwth-aachen.dewww.urmel.rwth-aachen.de
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Kommunikation und verteilte Systeme
140Kapitel 3: Netze
Architektur: Infrastrukturnetz
• Station (STA)
Rechner mit Zugriffsfunktion auf das drahtlose Medium und Funkkontakt zum Access Point
• Access Point (AP)
Station, die sowohl in das Funk-LANals auch das verbindende Festnetz (Distribution System) integriert ist
• Basic Service Set (BSS)
Gruppe von Stationen samt AP innerhalb eines Übertragungsbereichs
• Portal
Übergang in ein anderes Festnetz• Distribution System
Verbindung verschiedener Zellen zur Bildung eines logischen Netzes (EES: Extended Service Set)
Distribution System
Portal
802.x LAN
AccessPoint
802.11 LAN
BSS2
802.11 LAN
BSS1
AccessPoint
STA1
STA2STA3
ESS
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Kommunikation und verteilte Systeme
141Kapitel 3: Netze
Architektur: Ad-hoc Netzwerk
• Direkte Kommunikation mit begrenzter Reichweite
– Station (STA)Rechner mit Zugriffsfunktion aufdas drahtlose Medium
– Independent Basic Service Set (IBSS)
Gruppe von Stationen, die innerhalb eines Übertragungsbereichs dieselbe Funkfrequenz nutzen
• Unterschiedliche BSS durch räumliche Trennung oder Verwendung unterschiedlicher Trägerfrequenzen
• Keine ausgezeichneten Stationen zur Weiterleitung von Daten, Wegwahl, …
802.11 LAN
IBSS2
802.11 LAN
IBSS1
STA1
STA4
STA5
STA2
STA3
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Kommunikation und verteilte Systeme
142Kapitel 3: Netze
Protokollarchitektur
Medium Access Control• Zugriffsmechanismus, Fragmentierung, Verschlüsselung
• MAC Management: Synchronisierung, Roaming zwischen APs, Power Management
Physikalische Schicht• Kanalwahl, Modulation, Codierungsart
Anwendungen sollen von der Existenz des drahtlosen Netzes nichts mitbekommen (außer Bandbreite, längeren Zugriffszeiten)
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Kommunikation und verteilte Systeme
143Kapitel 3: Netze
802.11 - Physikalische Schicht
Varianten zur Übertragung: 2 Funk (im 2,4 GHz-Band), 1 Infrarot
• FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
– 2 Frequenzen bei 1 Mbit/s, 4 Frequenzen bei 2 Mbit/s– 79 unterschiedliche Kanäle von 1 MHz Bandbreite
– min. 2,5 Frequenzwechsel/s– GFSK-Modulation
– maximale Sendeleistung: 1 W (USA)/100 mW (EU), minimal: 1 mW
• DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
– DBPSK-Modulation für 1 Mbit/s (Differential Binary Phase Shift Keying), DQPSK für 2 Mbit/s (Differential Quadrature PSK)
– Chip-Sequenz: (+1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1), ein Barker-Code
– maximale Sendeleistung: 1 W (USA)/100 mW (EU), minimal: 1 mW
• Infrarot
– 850-950nm, diffuses Licht, typ. 10 m Reichweite
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144Kapitel 3: Netze
FHSS PHY Paketformat
Synchronisation SFD PLW PSF HEC Nutzdaten
Präambel Header
80 16 12 4 16 variabel Bits
• Synchronisation
– Synchronisation der Empfänger mit 010101... • SFD (Start Frame Delimiter)
– 0000110010111101 als Startmuster• PLW (PLCP_PDU Length Word)
– Länge der Nutzdaten in Bytes inklusive 32-Bit-CRC (am Ende der Nutzdaten). Erlaubte Werte liegen zwischen 0 und 4095
• PSF (PLCP Signaling Field)
– Datenrate der Nutzdaten (1 oder 2 Mbit/s)• HEC (Header Error Check)
– CRC mit x16+x12+x5+1
Übertragung immer mit 1 Mbit/s
Übertragung wahlweise mit 1 oder 2 Mbit/s
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145Kapitel 3: Netze
DSSS PHY Paketformat
Synchronisation SFD Signal Service HEC Nutzlast
Präambel Header
128 16 8 8 16 variabel Bits
Length
16
• Synchronisation– Snychronisation, Leistungssteuerung, Signaldetektion, Frequenzanpassung
• SFD (Start Frame Delimiter)– 1111001110100000 als Startmuster
• Signal– Datenrate der Nutzlast (0A: 1 Mbit/s DBPSK; 14: 2 Mbit/s DQPSK)
• Service– Für spätere Verwendung reserviert, Standard: 00 für 802.11-Rahmen
• Length (Länge der Nutzdaten) und HEC (CRC) wir bei FHSS
Übertragung immer mit 1 Mbit/s
Übertragung wahlweise mit 1 oder 2 Mbit/s
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146Kapitel 3: Netze
802.11b - Physikalische Schicht
erreichte Bits/Symbol
verwendete Symbolrate
ModulationCodelängeDatenrate
81.375 MS/sQPSK8 (CCK)11 Mb/s
41.375 MS/sQPSK8 (CCK)5.5 Mb/s
21 MS/sQPSK11 (Barker-Code)2 Mb/s
11 MS/sPSK11 (Barker-Code)1 Mb/s
Dynamic Rate Shifting: Anpassung der Übertragungsrate an die Übertragungsqualität:
• Nur noch DSSS
• CCK: Complementary Code KeyingVerwendung einer 8-Chips-langen Spreizsequenz: wähle 64 (11 Mbit/s) bzw. 4 (5.5 Mbit/s) der 48 möglichen Zustände aus, die möglichst gute Kreuzkorrelationseigenschaften aufweisen. D.h.: verwende die Spreizung zur Übertragung mehrerer Bits gleichzeitigDamit wird die Übertragung deutlich störanfälliger als für 1 bzw. 2 Mbit/s
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Kommunikation und verteilte Systeme
147Kapitel 3: Netze
Reichweite von IEEE 802.11
10 30 60 100 m0
2
4
6
8
10
Datenrate
Mbit/s
Distanz
802.11
802.11b
Aufgrund der fehlende Spreizung für niedrige Bitraten sind die höheren Übertragungsraten störanfälliger. Damit ergibt sich eine geringere Reichweite:
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148Kapitel 3: Netze
Reichweite 802.11b
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149Kapitel 3: Netze
IEEE 802.11b – PHY-Rahmenformate
synchronization SFD signal service HEC Nutzdaten
Präambel Header
128 16 8 8 16 variabel Bits
length
16
192 µs bei 1 Mbit/s DBPSK 1, 2, 5.5 oder 11 Mbit/s
short synch. SFD signal service HEC Nutzdaten
Präambel(1 Mbit/s, DBPSK)
Header(2 Mbit/s, DQPSK)
56 16 8 8 16 variabel Bits
length
16
96 µs 2, 5.5 oder 11 Mbit/s
Langes Rahmenformat:
Kurzes Rahmenformat, optional:
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150Kapitel 3: Netze
Kanalwahl bei IEEE 802.11b
2400[MHz]
2412 2483.52442 2472
Kanal 1 Kanal 7 Kanal 13
22 MHz
• Kanäle sind je 22 MHz breit• Kanäle überlappen
• 13 Kanäle in Deutschland (2412, 2417, 2422, … 2467, 2472 MHz), 11 in USA/Kanada
• Nicht-überlappende Kanalwahl:
• Im Idealfall: vergebe nur Kanäle 1, 6 und 11: 116
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