Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας (2) Αγγελική Αλεξίου

Transcript

1 Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας (2) Αγγελική Αλεξίου 1

2 Εισαγωγή στα ασύρματα δίκτυα μικρής εμβέλειας 2

3 Εφαρμογές ασυρμάτων δικτύων μικρής εμβέλειας Επέκταση LAN Διασύνδεση γειτονικών κτιρίων Νομαδική πρόσβαση AdHoc δικτύωση Αντικατάσταση ενσύρματων συνδέσεων με ασύρματες (Smart Home/Office) Μετρήσεις (περιβαλλοντικές κ.α.) Ηλεκτρονική υγεία Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 3

4 Απαιτήσεις ασυρμάτων δικτύων μικρής εμβέλειας Απόδοση Αριθμός κόμβων Σύνδεση με το κεντρικό LAN ήτοwan Εμβέλεια Κατανάλωση ισχύος και ένταση εκπομπής Στιβαρότητα και ασφάλεια Λειτουργία γειτονικών δικτύων και παρεμβολές Λειτουργία σε φάσμα χωρίς άδεια (unlicensed bands) Μεταπομπή/περιαγωγή Δυναμική ανάθεση και διαχείριση πόρων δικτύου Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 4

5 Τεχνολογίες ασυρμάτων δικτύων μικρής εμβέλειας Infrared Microwave (narrow band) Spread spectrum OFDM Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 5

6 Infrared Βασικά χαρακτηριστικά Φάσμα ουσιαστικά απεριόριστο και παγκοσμίως απελευθερωμένο (δεν απαιτείται άδεια) Άριστα χαρακτηριστικά διάδοσης σε εσωτερικούς χώρους Η υπέρυθρη ακτινοβολία ανακλάται διαχεόμενη από έγχρωμα αντικείμενα (όπως πχ από την οροφή) και δεν διαπερνά τοίχους, έτσι οι υπέρυθρες επικοινωνίες μπορούν να προστατευτούν από υποκλοπές και παρεμβολές Απλός και φθηνός εξοπλισμός Διαμόρφωση έντασης (δεν χρειάζεται να ανιχνευθεί η συχνότητα ή η φάση) Παρεμβολές από την περιβάλλουσα ακτινοβολία (φως του ήλιου, φωτισμός εσωτερικού χώρου) Ο θόρυβος αυτός απαιτεί χρήση πομπών μεγαλύτερης ισχύος και περιορίζει την εμβέλεια Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 6

7 Infrared Data Association (IrDA) IrDA: καθορίζει τις προδιαγραφές για τηλεπικοινωνιακά πρωτόκολλα που αφορούν την ασύρματη μετάδοση μικρής εμβέλειας με IR. Βασικά χαρακτηριστικά του φυσικού επιπέδου: Εμβέλεια m λ=875±30 nm Γωνία 15 ο (κώνος) Διαμόρφωση βασικής ζώνης, χωρίς φέρον Ταχύτητα 2.4kbps-16Mbps Half-duplex Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 7

8 Infrared(IR) Τεχνικές εκπομπής Κατευθυντικής δέσμης: χρησιμοποιείται για point-to-point συνδέσεις. Η εμβέλεια εξαρτάται από την εκπεμπόμενη ισχύ και το βαθμό εστίασης. Πανκατευθυντική (omnidirectional): περιλαμβάνει ένα μόνο σταθμό βάσης που βρίσκεται στην ευθεία οπτικής επαφής όλων των άλλων σταθμών (συνήθως τοποθετείται στην οροφή) Διαχεόμενη: οι πομποί IR είναι εστιασμένοι και στοχεύουν σε ένα σημείο στην οροφή όπου και οι υπέρυθρες ανακλώνται διαχεόμενες. Η ακτινοβολία που χτυπά στην οροφή επανεκπέμπεται πανκατευθυντικά Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 8

9 Microwave (narrow band) Ραδιοσυχνότητες στενής ζώνης με άδεια Συνήθως χρησιμοποιείται διάταξη κυψέλης, έτσι ώστε σε γειτονικές κυψέλες να ανατίθενται διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων και να ελαχιστοποιούνται οι παρεμβολές Ραδιοσυχνότητες στενής ζώνης χωρίς άδεια Χρησιμοποιούνται ISM συχνότητες με τους αντίστοιχους περιορισμούς στην ισχύ εκπομπής Λόγω έλλειψης κεντρικού κόμβου ελέγχου, κάθε χρήστης επιλέγει αυτόματα έναν κόμβο (Dynamic Master) σύμφωνα με παραμέτρους όπως ηθέση, η ισχύς και οι παρεμβολές Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 9

10 Spread spectrum FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) «άλματα» από συχνότητα σε συχνότητα με ψευδοτυχαίο τρόπο. Ο δέκτης ακολουθεί τα ίδια άλματα συγχρονισμένα και με τον ίδιο ψευδοτυχαίο τρόπο DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Πολλαπλασιασμός ψευδοτυχαίων bits ( chips ) με πληροφορία. Ο δέκτης πολλαπλασιάζει με την ίδια ακολουθία. Narrowband Interference Narrowband Filter Data Signal with Spreading Original Data Signal ISI Other Other SS Users SS Users ISI Modulated Data Receiver Input Demodulator Filtering Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 10

11 Spread spectrum (2) Spreading Code: a pseudorandom chip sequence Spreading factor: S = T T C Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 11

12 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Είναι μια τεχνική διαμόρφωσης των κωδικοποιημένων bits πληροφορίας που βασίζεται στη multicarrier (πολλαπλών φερουσών) διαμόρφωση στενής ζώνης. Η πληροφορία (data stream) χωρίζεται με ένα serial-to-parallel converter (S/P) σε μικρότερα data streams που μεταδίδονται παράλληλα με χρήση ορθογώνιων subcarriers Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 12

13 OFDM (2) Οι subcarriers είναι σχεδιασμένοι ώστε να είναι ορθογώνιοι μεταξύ τους ακόμα και όταν επικαλύπτονται στη συχνότητα. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 13

14 OFDM (3) Λόγωτουμικρούεύρουςζώνηςτωνsubcarriers καθένα από αυτά υπόκεινται σε frequency flat fading. Το μικρό εύρος ζώνης επιτρέπει την ελαχιστοποίηση των διασυμβολικών παρεμβολών (Inter-symbol Interference) και των απαιτήσεων ισοστάθμισης (equalization) του καναλιού. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 14

15 Multipath propagation Κρουστικήαπόκρισηκαναλιού Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 15

16 Delay spread Received Power τ Two-ray model τ 0 τ 1 Delay Channel Input τ small T Channel Output negligible inter-symbol Interference T 2T flat fading 0 T 2T significant inter-symbol Interference τ large T 0 T 2T frequency-selective fading Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 16

17 IEEE 802.x 17

18 IEEE 802 wireless network technology options Network definition Wireless personal area network (WPAN) Low-rate WPAN (LR- WPAN) Wireless local area network (WLAN) Wireless metroplitan area network (WMAN) IEEE standard IEEE IEEE IEEE IEEE Known as Bluetooth ZigBee WiFi WiMAX Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 18

19 IEEE 802 standardisation framework Management Logical Link Control (LLC) MAC MAC Medium Access Control (MAC) CSMA/CA a b g CSMA/CD (Ethernet) Token Ring CSMA/CA (Wireless LAN) Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 19

20 CSMA/CD Ethernet Management MAC CSMA/CD (Ethernet) CSMA/CD = Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Χρησιμοποιείται κυρίως στα ενσύρματα LAN Οι σταθμοί LAN ανταγωνίζονται για πρόσβαση στους κοινούς πόρους του ενσύρματου δικτύου Όταν ανιχνευθεί σύγκρουση (collision), οι σταθμοί σταματούν την εκπομπή και περιμένουν για ένα (τυχαίας διάρκειας) χρονικό διάστημα πριν αρχίσουν να εκπέμπουν και πάλι. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 20

21 CSMA/CA Wireless LAN CSMA/CA = Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Σε αντίθεση με τα ενσύρματα LANs, οι σταθμοί WLAN δεν μπορούν να ανιχνεύσουν συγκρούσεις => Αποφυγή συγκρούσεων ( listen before you talk, backoff procedure if the channel is busy) Medium Access Control (MAC) CSMA/CA a b g Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 21

22 WLAN Φυσικό επίπεδο (1) Τεχνολογίες φυσικού επιπέδου όπως προδιαγράφονται από τον IEEE standard: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) Medium Access Control (MAC) CSMA/CA DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) a b g Data rates: 1 and 2 Mbit/s ISM band: GHz Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 22

23 WLAN Φυσικό επίπεδο (2) Η πρώτη έκδοση του φυσικούεπιπέδουπου χρησιμοποιήθηκε ευρέως είναι το b που χρησιμοποιεί: DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) όπως στο αρχικά ορισμένο αλλά με υψηλότερους ρυθμούς: 1, 2, 5.5, 11 Mbit/s Υποστηρίζει αυτόματη ρύθμιση σε χαμηλότερες ταχύτητες σε περίπτωση καναλιού κακής ποιότητας (automatic fall-back) Medium Access Control (MAC) CSMA/CA a b g ISM band: GHz Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 23

24 WLAN Φυσικό επίπεδο (3) To a λειτουργεί σε συχνότητες στην περιοχή των 5 GHz. Χρησιμοποιείται διαμόρφωση OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Data rates: 6-54 Mbit/s Medium Access Control (MAC) CSMA/CA a b g 5 GHz frequency band Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 24

25 WLAN Φυσικό επίπεδο (4) Το g είναι το πιο πρόσφατο standard φυσικού επιπέδου που χρησιμοποιείται πια ευρέως και λειτουργεί στις ίδιες συχνότητες με το b Χρησιμοποιείται διαμόρφωση OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Medium Access Control (MAC) CSMA/CA Data rates: 6-54 Mbit/s (όπως και στο a) a b g ISM band: GHz Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 25

26 Wireless Fidelity (WiFi) Το πρόγραμμα WiFi certification του Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA) ασχολείται με θέματα συμβατότητας του IEEE εξοπλισμού CSMA/CA => Το WiFi επιβλέπει/προδιαγράφει τη διαλειτουργικότητα μεταξύ εξοπλισμού από διαφορετικούς κατασκευαστές Medium Access Control (MAC) a b WiFi g Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 26

27 Wireless Personal Area Network (WPAN) Management LLC MAC MAC MAC MAC MAC MAC ISM band: GHz Bluetooth Special Interest Group (SIG) Data rates: ~1 Mbps (version1.2) ~3 Mbps (version 2) Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 27

28 Low-rate WPAN (LR-WPAN) Management LLC MAC MAC MAC MAC MAC MAC ISM band: GHz ZigBee Alliance Data rates up to 250 kbit/s Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 28

29 Wireless Metropolitan Area Network (WMAN) Management LLC MAC MAC MAC MAC MAC MAC WiMAX Various frequency bands (not only ISM) Various data rates up to 144 Mbit/s (downlink) and more Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 29

30 ISM frequency bands ISM (Industrial, Scientific and Medical) frequency bands: 900 MHz band ( MHz) 2.4 GHz band ( GHz) 5.8 GHz band ( GHz) Οι συχνότητες αυτές δεν απαιτούν άδεια. Ο μόνος περιορισμός είναι ότι δεν μπορούν να ξεπεραστούν συγκεκριμένα άνω όρια ισχύος εκπομπής. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 30

31 ISM frequency band at 2.4 GHz Η ISM συχνότητες στα 2.4 GHz μπορούν να χρησιμοποιηθούν (στην Ευρώπη) σύμφωνα με τους εξής περιορισμούς FH (Frequency Hopping): Total transmission power < 100 mw Power density < 100 mw / 100 khz DSSS: Total transmission power < 100 mw Power density < 10 mw / 1 MHz ETSI EN requirements Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 31

32 Free-space loss Free-space loss L : L 2 2 4πd 4πdf = = λ c d: απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη λ: μήκος κύματος f : συχνότητα c: ταχύτητα του φωτός Ο τύπος ισχύει υπό την προϋπόθεση ότι d>>λ και δεν λαμβάνει υπόψη τα κέρδη κεραιών (=> Friis formula) ή άλλα φυσικά εμπόδια που δημιουργούν περαιτέρω απώλειες Friis formula: Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 32

33 Free-space loss - παραδείγματα f = 900 MHz f = 2.4 GHz f = 5.8 GHz d = 10 m L = 51.5 db L = 60.0 db L = 67.7 db d = 100 m L = 71.5 db L = 80.0 db L = 87.7 db Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 33

34 Τοπολογίες δικτύου (1) Με υποδομή (infrastructure-based): Το ασύρματο δίκτυο έχει ένα σταθερό κεντρικό στοιχείο (base station, access point), το οποίο διαχειρίζεται το υπόλοιπο δίκτυο και μέσω του οποίου υλοποιείται κάθε σύνδεση. Ad hoc: Το ασύρματο δίκτυο δεν διαθέτει κεντρικό σημείου ελέγχου (ούτε σταθερό ούτε δυναμικά καθορισμένο) και η τοπολογία του δικτύου μπορεί να μεταβάλλεται με το χρόνο. Ένα τέτοιο δίκτυο είναι πιο ευέλικτο αλλά και πιο δύσκολο στη διαχείρισή του. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 34

35 Τοπολογίες δικτύου (2) Network IEEE WPAN (Bluetooth) IEEE LR-WPAN (ZigBee) IEEE WLAN (WiFi) IEEE WMAN (WiMAX) Network topology Ad hoc (with dynamically allocated central element) Ad hoc Infrastructure (ad hoc also possible) Infrastructure Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 35

36 Multiplexing / multiple access / duplexing (1) Multiplexing / multiple access Σήματα από/προς διαφορετικούς χρήστες μοιράζονται ένα κοινό κανάλι χρησιμοποιώντας μεθόδους διαίρεσης χρόνου (TDM/TDMA, CSMA), συχνότητας (FDM/FDMA), ή CDMA. Multiplexing: πολυπλεξία, σχετίζεται με το φυσικό επίπεδο και αφορά τον τρόπο που διαφορετικοί χρήστες μοιράζονται τους κοινούς πόρους Multiple access: αφορά στον τρόπο ανάθεσης πόρων και σχετίζεται με το layer 2 του OSI. LTE, WiMAX, 4G Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 36

37 Multiplexing / multiple access / duplexing (2) Duplexing: Τα σήματα μεταξύ δύο κόμβων (πομπού/δέκτη) με αντίθετη κατεύθυνση μπορούν να διαχωριστούν στο χρόνο (time division duplexing - TDD) ή στη συχνότητα (frequency division duplexing - FDD). Στην περίπτωση του CSMA, δεν τίθεται θέμα duplexing. Frequency Division Duplex (FDD) Downlink frequency Duplex Separation Uplink Time Division Duplex (TDD) UL DL UL DL UL DL UL time Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 37

38 Multiplexing / multiple access / duplexing (3) Network IEEE WPAN (Bluetooth) IEEE LR-WPAN (ZigBee) IEEE WLAN (WiFi) Multiplexing / MA / duplexing TDMA / TDD CSMA/CA CSMA/CA IEEE WMAN (WiMAX) TDM/TDMA (down/uplink) / TDD or FDD Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 38

39 Maximum channel data rates Network IEEE WPAN (Bluetooth) IEEE LR-WPAN (ZigBee) IEEE WLAN (WiFi) IEEE WMAN (WiMAX) Maximum data rate 1 Mbit/s (Bluetooth v. 1.2) 3 Mbit/s (Bluetooth v. 2.0) 250 kbit/s 11 Mbit/s (802.11b) 54 Mbit/s (802.11g) 144 Mbit/s Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 39

40 Διευθυνσιοποίηση (Addressing) Σε ένα περιβάλλον LAN, οι συσκευές διαχωρίζονται από μία μοναδική 48-bit MAC διεύθυνση: Example: 00:90:4B:00:0C: B 4B C 0C Four bits in a hexadecimal number Σε δίκτυα IPv4 (e.g. Internet), οι κόμβοι διαχωρίζονται από μια μοναδική 32-bit IP διεύθυνση: Example: Eight bits in a decimal number Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 40

41 Δρομολόγηση (Routing) Η δρομολόγηση σε ένα (W)LAN βασίζεται στις MAC διευθύνσεις και όχι στις IP διευθύνσεις. Ένας δρομολογητής (router, που μπορεί πχ να συμπεριλαμβάνεται σε ένα access point) υλοποιεί την αντιστοίχιση μεταξύ αυτών των δύο τύπων διευθύνσεων: (W)LAN device device (W)LAN Router Router IP network Server Server 00:90:4B:00:0C: :90:4B:00:0C: Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 41

42 Ανάθεση διεύθυνσης (Address allocation) Οι διευθύνσεις MAC σχετίζονται με τις συσκευές του υλικού (hardware devices). Οι διευθύνσεις IP μπορούν να ανατεθούν σε συσκευές (W)LAN είτε σε μόνιμη βάση είτε με δυναμική ανάθεση από ένα κατάλογο διαθέσιμων διευθύνσεων χρησιμοποιώντας το Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP). Ο DHCP server μπορεί να βρίσκεται σε ένα ξεχωριστό κόμβο στο δίκτυο (πχ στο RADIUS server που προσφέρει και άλλες επιπλέον λειτουργίες) ή να αποτελεί μέρος του δρομολογητή ή του access point όπου γίνεται η ανάθεση διεύθυνσης. RADIUS = Remote Authentication Dial-In User Service Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 42

43 Network Address Translation (NAT) Από την πλευρά του «μεταφραστή διεύθυνσης» (network address translator -NAT device) στο (W)LAN, οι (W)LAN χρήστες ταυτοποιούνται με ιδιωτικές (επαναχρησιμοποιήσιμες και όχι μοναδικές) IP διευθύνσεις. Από την πλευρά του «μεταφραστή διεύθυνσης» στο Internet, μόνο μία (μοναδική) IP διεύθυνση χρησιμοποιείται. Οι χρήστες ταυτοποιούνται μέσω των διαφορετικών TCP/UDP port numbers. Σε μια επικοινωνία τύπου client server, κάθε εφαρμογή στο server έχει συνήθως ένα συγκεκριμένο TCP/UDP port number (πχ 80 για HTTP), ενώ στους clients ανατίθενται port numbers από ένα κατάλογο. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 43

44 NAT - παράδειγμα (W)LAN IP network User User 1 User User 2 NAT NAT device device IP address for all users in (W)LAN: Server Server User 1 IP address User 1 TCP port number User 2 IP address User 2 TCP port number Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 44

45 Εφαρμογή: ADSL WLAN router 1) Στη σύνδεση ADSL στο δίκτυο ευρείας περιοχής ανατίθεται μια μοναδική διεύθυνση IP χρησιμοποιώντας DHCP. 2) Υποθέτουμε ότι ο router διαθέτει NAT λειτουργία. Πίσω από το router, στοιδιωτικόδίκτυοlan, στις ενσύρματες και ασύρματες συσκευές LAN ανατίθενται ιδιωτικές διευθύνσεις IP, πάλι χρησιμοποιώντας DHCP. 3) Αν και η δρομολόγηση στο τοπικό δίκτυο βασίζεται στις MAC διευθύνσεις, οι εφαρμογές IP που τρέχουν στις συσκευές LAN χρειάζονται τη δική τους dummy IP διεύθυνση. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 45