ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Σχεδιασμός του πρωτοκόλλου MAC του προτύπου ΙΕΕΕ 802.11 και αξιολόγηση της απόδοσης του, με δυνατότητα για παράλληλες μεταδόσεις στα ασύρματα ad hoc δίκτυα. Ποποβίδης Αντώνιος Επιβλέπων καθηγητής: Νικοπολιτίδης Πέτρος Θεσσαλονίκη, Ιούνιος 2011

2

Περιεχόμενα 3` ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ...5 ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ...7 Περίληψη...9 Λέξεις κλειδιά...9 Αbstract...10 Keywords...10 Δομή της διπλωματικής εργασίας...11 Ευχαριστίες...12 Μέρος Α :...13 Θεωρία...13 1. Εισαγωγή...15 1.1 Ασύρματα τοπικά δίκτυα...15 1.2 Εξέλίξεις...18 2. Το πρότυπο IEEE 802.11...19 2.1 Εισαγωγή...19 2.2 Αρχιτεκτονική του ΙΕΕΕ 802.11...21 2.3 Φυσικό επίπεδο...25 2.3.1 Το φυσικό επίπεδο υπερύθρων (Infrared - IR)...25 2.3.2 Το φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος μεταπήδησης συχνότητας...25 (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS)...25 2.3.3 To φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος άμεσης ακολουθίας...26 2.3.4 To φυσικό επίπεδο ορθογωνικής πολύπλεξης διαίρεσης συχνότητας...27 (Orthogonal Frequenct Division Multiplexing OFDM)...27 2.4 Υποεπίπεδο MAC...28 2.4.1 Είδη πλαισίων...29 2.4.2 Χρονικά διαστήματα...31 2.4.3 Κατανεμημένη συνάρτηση συγχρονισμού...32 (Distributed Coordination Function - DCF)...32 2.4.4.1 Διαδικασία πρόσβασης στο μέσο...34 2.4.4.2 Διαδικασία υπαναχώρησης...35 2.4.4.3 Επιβεβαίωση σωστής λήψης...36 2.4.4.4 Εικονική ανίχνευση φέροντος O μηχανισμός RTS/CTS...37 2.4.4.5 Τεμαχισμός πλαισίων...40 2.4.4 Ασφάλεια (Security)...41 2.4.4.1 Κωδικοποίηση (Encryption)...41 2.4.4.2 Πιστοποίηση (Authentication)...41 2.4.5 Εξοικονόμηση ενέργειας...42 2.4.6 Οι τελευταίες εξελίξεις του ΙΕΕΕ 802.11...42 2.5 Έλεγχος Ισχύος...44 3. Προσομοίωση του 802.11...51 3.1 Παραδοχές της προσομοίωσης...51 3.2 Χαρακτηριστικά του δικτύου της προσομοίωσης...53 3.3 Δομή του προγράμματος...54 3.4 Το πρόγραμμα προσομοίωσης...55 4. Αποτελέσματα της προσομοίωσης του 802.11...57 4.1 Επίδραση του μεγέθους πακέτου στο throughput και στο delay....58 3

4.2 Επίδραση του αριθμού των τερματικών στo delay...60 4.3 Επίδραση του contention window στο throughput και στο delay...61 4.4 Επίδραση του RTS Threshold στο maximum throughput....65 4.5 Επίδραση χρήσης και των δυο μηχανισμών μετάδοσης, απλού, RTS...68 /CTS με RTS Threshold 2305 και RTS/CTS πάντα στο throughput...68 και στο delay...68 4.6 Επίδραση του αριθμού των σταθμών στον αριθμό των συγκρούσεων...72 κάτω από χαμηλό, μέτριο και υψηλό φόρτο...72 4.7 Επίδραση του αριθμού των σταθμών στο μέσο μήκος ουράς κάτω...73 από χαμηλό, μέτριο και υψηλό φόρτο....73 5. Προσομοίωση του 802.11 με τον έλεγχο ισχύος...77 5.1 Παραδοχές της προσομοίωσης...77 5.2 Χαρακτηριστικά του δικτύου...77 5.3 Δομή του προγράμματος...78 5.4 Το πρόγραμμα προσομοίωσης...79 6. Αποτελέσματα της προσομοίωσης του 802.11 με τον έλεγχο ισχύος...80 6.1 Επίδραση του μεγέθους πακέτου στο throughput και στο delay...80 6.2 Επίδραση του αριθμού των σταθμών στo throughput και στο delay...85 6.3 Επίδραση του contention window στο throughput και στο delay...87 6.4 Επίδραση του αριθμού των σταθμών στον αριθμό των συγκρούσεων...89 κάτω από χαμηλό, μέτριο και υψηλό φόρτο...89 6.5 Επίδραση του αριθμού των σταθμών στο μέσο μήκος ουράς κάτω...91 από χαμηλό, μέτριο και υψηλό φόρτο....91 7. Σύκριση των δυο πρωτοκόλλων...93 7.1 Σύγκριση throughput και delay...93 7.2 Σύκριση του αριθμού των συγκρούσεων, για 20, 35 και 60 τερματικά,κάτω από χαμηλό, μέτριο και υψηλό φόρτο....97 7.3 Σύκριση του μέσου μήκους ουράς, για 20, 35 και 60 τερματικά, κάτω από χαμηλό, μέτριο και υψηλό φόρτο....101 8. Συμπεράσματα...105 Βιβλιογραφία, Αναφορές, Πηγές Διαδικτύου...109 4

ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1.1: Ένα τυπικό ασύρματο δίκτυο.....13 Σχήμα 2.1: Βασικό σύνολο εξυπηρέτησης BSS...19 Σχήμα 2.2: Ανεξάρτητο σύνολο εξυπηρέτησης IBSS...20 Σχήμα 2.3: ESS (Extended Service Set)...21 Σχήμα 2.4: Τα επίπεδα του προτύπου ΙΕΕΕ 802.11...22 Σχήμα 2.5: Μορφή πλαισίου του IEEE 802.11...27 Σχήμα 2.6: Σχέσεις ανάμεσα στα χρονικά διαστήματα αναμονής...29 Σχήμα 2.7: Αρχιτεκτονική του υποεπιπέδου MAC...30 Σχήμα 2.8: Το πρόβλημα του «κρυφού» και του «εκτεθειμένου» τερματικού...31 Σχήμα 2.9: Η λειτουργία της DCF χωρίς RTS/CTS.....33 Σχήμα 2.10: Η λειτουργία της DCF με RTS/CTS...36 Σχήμα 2.11: Το πρόβλημα του κρυμμένου τερματικού...37 Σχήμα 2.12: Αντιμετώπιση του προβλήματος του κρυμμένου τερματικού...37 Σχήμα 2.13: Η λειτουργία της DCF με RTS/CTS και Fragmentation.......39 Σχήμα 2.14: Απεικονίζει την προσέγγιση που γίνεται δίκτυο, για να επιτευχθει ο έλεγχος ισχύος. Φαίνονται ο Sender S, o Receiver R, οι NS κόμβοι και οι NR κόμβοι.4: Απεικονίζει την προσέγγιση που γίνεται δίκτυο, για να επιτευχθει ο έλεγχος ισχύος...45 Σχήμα 3.1: Διάγραμμα ροής του αλγορίθμου που προσεγγίζει την λειτουργία του πρωτοκόλλου MAC...50 Σχήμα 4.1: Offered Load Kbps Vs Throughput Kbps για 10 σταθμούς και διάφορα μεγέθη πακέτων και RTS Threshold...54 Σχήμα 4.2: Offered Load Kbps Vs Delay seconds για 10 σταθμούς και διάφορα μεγέθη πακέτων και RTS Threshold...55 Σχήμα 4.3: Offered Load Kbps Vs Delay seconds για 5/10 σταθμούς, μέγεθος πακέτου 16000 και RTS Threshold 500/2305...56 Σχήμα 4.4: Offered Load Kbps Vs Throughput Kbps για 10 σταθμούς, μέγεθος πακέτου 16000 bits και CW min 8/32 και CW max 256/1024 και RTS Threshold 2000..57 Σχήμα 4.5: Offered Load Kbps Vs Throughput Kbps για 25 σταθμούς, μέγεθος πακέτου 16000 και CW min 8/32 και CW max 256/1024 και RTS Threshold 2000..58 Σχήμα 4.6: Offered Load Kbps Vs Delay seconds για 10 σταθμούς, μέγεθος πακέτου 16000 και CW min 8/32 και CW max 256/1024 και RTS Threshold 2000....59 Σχήμα 4.7: Offered Load Kbps Vs Delay seconds για 25 σταθμούς, μέγεθος πακέτου 16000 και CW min 8/32 και CW max 256/1024 και RTS Threshold 2000...60 Σχήμα 4.8: Offered Load Kbps Vs Throughput Kbps για 10 σταθμούς, για διάφορες τιμές του RTS Threshold..61 Σχήμα 4.9: Offered Load Kbps Vs Throughput Kbps για 25 σταθμούς, για διάφορες τιμές του RTS Threshold....62 Σχήμα 4.10: Offered Load Kbps Vs Throughput Kbps για 10 σταθμούς και μέγεθος πακέτου 16000: χωρίς RTS/CTS, με RTS Threshold 2305 και με RTS/CTS πάντα...63 Σχήμα 4.11: Offered Load Kbps Vs Delay seconds για 10 σταθμούς και μέγεθος πακέτου 16000: χωρίς RTS/CTS, με RTS Threshold 2305 και με RTS/CTS πάντα..64 Σχήμα 4.12: Offered Load Kbps Vs Throughput Kbps για 25 σταθμούς και μέγεθος πακέτου 16000: χωρίς RTS/CTS, με RTS Threshold 2305 και με RTS/CTS πάντα..65 5

Σχήμα 4.13: Offered Load Kbps Vs Delay seconds για 25 σταθμούς και μέγεθος πακέτου 16000: χωρίς RTS/CTS, με RTS Threshold 2305 και με RTS/CTS πάντα..66 Σχήμα 4.14: Νumber of stations Vs Collisions, για 5, 10, 25, 35 και 50 σταθμούς, μέγεθος πακέτου 16000 και προσφερόμενους φόρτους 2, 14, 36 packets/s, RTS Threshold 2305...67 Σχήμα 4.15: Νumber of stations Vs Average queue length, για 5, 10, 25, 35 και 50 σταθμούς, μέγεθος πακέτου 16000 και προσφερόμενους φόρτους 2, 14, 36 packets/s......68 Σχήμα 5.1: Διάγραμμα ροής του αλγορίθμου που προσεγγίζει την λειτουργία του πρωτοκόλλου MAC με τον έλεγχο ισχύος...76 Σχήμα 5.2: Απεικονίζει την προσέγγιση που γίνεται δίκτυο, για να επιτευχθει ο έλεγχος ισχύος. Φαίνονται ο Sender S, o Receiver R, οι NS κόμβοι και οι NR κόμβοι...77 Σχήμα 6.1 Offered Load Kbps Vs Throughput Kbps για 15 σταθμούς, για διάφορα μεγέθη πακέτων...80 Σχήμα 6.2 Offered Load Kbps Vs Throughput Kbps για 20 σταθμούς για διάφορα μεγέθη πακέτων...81 Σχήμα 6.3 Offered Load Kbps Vs Throughput Kbps για 25 σταθμούς για διάφορα μεγέθη πακέτων...82 Σχήμα 6.4: Offered Load Kbps Vs Delay seconds για 15 σταθμούς για διάφορα μεγέθη πακέτων...83 Σχήμα 6.5: Offered Load Kbps Vs Delay seconds για 20 σταθμούς για διάφορα μεγέθη πακέτων...83 Σχήμα 6.6: Offered Load Kbps Vs Delay seconds για 25 σταθμούς για διάφορα μεγέθη πακέτων...84 Σχήμα 6.7: Offered Load Kbps Vs Throughput Kbps για 15, 20, 25 σταθμούς για μέγεθος πακέτου 16000....85 Σχήμα 6.8: Offered Load Kbps Vs Delay seconds για 15, 20, 25 σταθμούς για μέγεθος πακέτου 16000....86 Σχήμα 6.9: Offered Load Kbps Vs Throughput seconds, για για 25 σταθμούς, μέγεθος πακέτου 16000 bits και Cwmin 8/23, Cwmax 256/1024...87 Σχήμα 6.10: Offered Load Kbps Vs Delay seconds, για για 25 σταθμούς, μέγεθος πακέτου 16000 bits και Cwmin 8/23, Cwmax 256/1024.88 Σχήμα 6.11 Νumber of stations Vs Collisions, για 20, 25, 35, 50 και 60 σταθμούς, μέγεθος πακέτου 16000 και προσφερόμενους φόρτους 2, 14, 36 packets/s...89 Σχήμα 6.12: Νumber of stations Vs Average Queue Length, για 5,10,25,35 και 50 σταθμούς, μέγεθος πακέτου 16000 και προσφερόμενους φόρτους 2, 14, 36 packets/s...91 Σχήμα 7.1: Offered Load Kbps Vs Throughput Kbps, για 15 σταθμούς, μέγεθος πακέτου 16000..93 Σχήμα 7.2: Offered Load Kbps Vs Throughput Kbps, για 25 σταθμούς, μέγεθος πακέτου 16000..94 Σχήμα 7.3: Offered Load Kbps Vs Delay seconds, για 15 σταθμούς, μέγεθος πακέτου 16000..96 Σχήμα 7.4: Offered Load Kbps Vs Delay seconds, για 25 σταθμούς, μέγεθος πακέτου 16000..96 Σχήμα 7.5: Number of stations Vs Collisions, για 20, 35 και 60 σταθμούς, φόρτους 2, 14, 36 packets/s και μέγεθος πακέτου 16000...97 Σχήμα 7.6: Κατανομή 60 σταθμών στο χώρο (x, y)...99 Σχήμα 7.7: Κατανομή 35 σταθμών στο χώρο (x, y)......99 6

Σχήμα 7.8: Κατανομή 20 σταθμών στο χώρο (x, y).........100 Σχήμα 7.9: Number of stations Vs Average Queue Length, για 20, 35 και 60 σταθμούς, φόρτους 2, 14, 36 packets/s και μέγεθος πακέτου 16000.....101 ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 2.1: Οικογένεια προτύπων ΙΕΕΕ 802.11...17 Πίνακας 2.2: Οι τιμές των χρονικών διαστημάτων αναμονής και της χρονοθυρίδας σε κάθε σύστημα μετάδοσης...29 Πίνακας 3.1. Χαρακτηριστικά του δικτύου της προσομοίωσης...49 7

8

Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο το σχεδιασμό του απλού πρωτοκόλλου MAC του προτύπου 802.11 και την αξιολόγηση της απόδοσης του. Επιπλέον έχει ως στόχο το σχεδιασμό ενός νέου βελτιωμένου πρωτοκόλλου MAC το οποίο θα κάνει την χρήση του ελέγχου ισχύος ώστε να υποστηρίζει παράλληλες μεταδόσεις σε περιπτώσεις που το απλό θα επέτρεπε μια μόνο. Τέλος θα ακολουθήσει η σύγκριση των δυο αυτών πρωτοκόλλων. Όπως είναι γνωστό το απλό πρωτόκολλο MAC αντιμετωπίζει το πρόβλημα του κρυμμένου τερματικού, εις βάρος την δυνατότητας ταυτόχρονων μεταδόσεων, με αποτέλεσμα να μην χρησιμοποιείται μέρος του διαθέσιμου εύρους ζώνης που προκύπτει από την δυνατότητα χωρικής επαναχρησιμοποίησης του μέσου μετάδοσης. Έτσι στην εργασία αυτή έχουμε ως στόχο να σχεδιάσουμε ένα νέο βελτιωμένο πρωτόκολλο MAC και να αξιολογήσουμε την απόδοση του. Το νέο αυτό πρωτόκολλο οποίο θα βασίζεται στον έλεγχο της ισχύος, έτσι ώστε να γίνεται καλύτερη αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Αυτό, όπως θα δούμε στην συνέχεια, θα έχει ως αποτέλεσμα να μπορούν να πραγματοποιηθούν δυο η περισσότερες μεταδόσεις ταυτόχρονα, να αυξηθεί το συνολικό throughput και να μειωθεί η συνολική καθυστέρηση στο σύστημα. Λέξεις κλειδιά Ασύρματο δίκτυο (WLAN), αδόμητο δίκτυο (Ad hoc), πρωτόκολλο πρόσβασης στο μέσο (MAC), βασικό σύνολο εξυπηρέτησης (BSS), ανεξάρτητο βασικό σύνολο εξυπηρέτησης (IBSS), κρυμμένo τερματικό, Κατανεμημένη Συνάρτηση Συντονισμού (DCF), διαδικασία υπαχαχώρησης, εικονική ανίχνευση φέροντος μηχανισμός RTS/CTS, Όριο RTS, Τεμαχισμός πλαισίων, Όριο Τεμαχισμού, ασφάλεια, εξοικονόμηση ενέργειας, έλεγχος ισχύος. 9

Αbstract This thesis aims at designing the simple MAC protocol of the 802.11 standard and evaluating its performance. What is more, it aims to design and evaluate a new improved MAC protocol which will make use of the power control so that it can support parallel transmissions, in cases where the simple MAC protocol allows only one single transmission. Finally, a comparison of the two protocols will take place. As it is already known the simple MAC protocol faces the hidden terminal problem, which prevents the possibility of simultaneous transmissions. This results in not using part of the available bandwidth which results from the spatial reuse of the transmission medium. So in this thesis, we aim to develop a new improved MAC protocol and evaluate its performance. This new protocol will be based on power control in order to make better use of the available bandwidth. As a result, two or more transmissions will be allowed to take place simultaneously, the overall throughput will be increased and there will be a reduction in the total delay in the network. Keywords Wireless LAN, (WLAN), ad hoc network, Medium Access Control protocol (MAC), Basic Service Set (BSS), Independent Basic Service Set (IBSS), hidden terminal, Distributed Coordination Function (DCF), back off procedure, virtual carrier sense RTS/CTS, RTS Threshold, Fragmentation, Fragmentation Threshold, security, power saving, power control. 10

Δομή της διπλωματικής εργασίας Η διπλωματική εργασία χωρίζεται σε 4 μέρη. Στο πρώτο μέρος (κεφάλαια 1, 2) γίνεται γενικότερη αναφορά στα ασύρματα δίκτυα, ανάλυση του πρωτοκόλλου MAC του προτύπου 802.11, καθώς και εκτενής αναφορά στο πρόβλημα του κρυμμένου τερματικού και την αντιμετώπιση του. Επιλέον αναλύεται η προσέγγιση του ελέγχου ισχύος (υποκεφάλαιο 2.5). Στο δεύτερο μέρος (κεφάλαια 3, 4) αναλύεται η προσομοίωση του απλού πρωτοκόλλου MAC και δίνονται αναλυτικά τα αποτελέσματα σε μορφή γραφικών παραστάσεων, που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις εμπλουτισμένα με σχόλια, συμπεράσματα και παρατηρήσεις. Στο τρίτο μέρος (κεφάλαια 5, 6, 7) αναλύεται η προσομοίωση του βελτιωμένου πρωτοκόλλου MAC και δίνονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, και στην συνέχεια γίνεται σύγκριση των δυο αυτών πρωτοκόλλων. Τέλος, το τέταρτο μέρος παρουσιάζει τα γενικά συμπεράσματα της όλης διπλωματικής εργασίας (κεφάλαιο 8) και στη συνέχεια δίνονται η βιβλιογραφία, οι πηγές του διαδικτύου και οι αναφορές γενικότερα που χρησιμοποιήθηκαν για το θεωρητικό μέρος της εργασίας, αλλά και για την προσέγγιση πάνω στο όλο αντικείμενο. 11

Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους όσους με βοήθησαν και με στήριξαν τα χρόνια της φοίτησής μου στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο της Θεσσαλονίκης, τους γονείς μου, την αδερφή μου, τους καθηγητές και τους συμφοιτητές μου. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή κ. Νικοπολιτίδη Πέτρο που μου έδωσε την ευκαιρία να αναπτύξω αυτή την διπλωματική εργασία, την υποστήριξη του και την καθοδήγησή του κατά τη διάρκεια της μελέτης και της συγγραφής της. 12

Μέρος Α : Θεωρία 13

1. Εισαγωγή 1.1 Ασύρματα τοπικά δίκτυα Ένα ασύρματο τοπικό δίκτυο είναι ένα τοπικό δίκτυο υπολογιστών ορισμένης γεωγραφική κάλυψης, το οποίο παρέχει την κατάλληλη τεχνολογική υποδομή στους χρήστες, ανεξαρτοποιώντας τους έτσι από την καλωδίωση του γνωστού ως σήμερα ενσύρματου δίκτυου και παρέχοντας τους πλήρη ελευθερία κίνησης μέσα στην περιοχή εξυπηρέτησης. Έτσι, πλέον οι χρήστες δεν χρειάζεται να συνδέονται με κάποιο καλωδιακό μέσο είτε για να επικοινωνήσουν μεταξύ τους ή για να διαμοιράζονται δεδομένα. Με άλλα λόγια, για να γίνει δυνατή η διασύνδεση των ηλεκτρονικών υπολογιστών, το επικοινωνιακό μέσο το οποίο εκμεταλεύεται αυτή η τεχνολογική υποδομή, είναι ο αέρας. Ένα τυπικό ασύρματο δίκτυο παρουσιάζεται στο σχήμα 1.1, όπου βέπουμε διάφορες συσκευές να συνδέονται στο διαδίκτυο χωρίς τη γνωστή μέχρι τώρα καλωδίωση. Σχήμα 1.1: Ένα τυπικό ασύρματο δίκτυο Τα ασύρματα τοπικά δίκτυα έχουν εξυπηρετήσει αμέτρητους χρήστες και έχουν κάνει εφικτή την διασύνδεση υπολογιστών, εκτυπωτών και άλλων συσκευών, έτσι ώστε οι τελευταίοι να μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους, να ανταλλάσσουν ηλεκτρονικά μηνύματα, να μοιράζοντε φωτογραφίες, κινούμενη εικόνα (animation), βίντεο και γενικά οποίαδηποτε δεδομένα τα οποία μπορούν να υποστηριχθούν και από τα αντίστοιχα ομόλογα τους, τα ενσύρματα δίκτυα. Με άλλα λόγια έχουν διεισδίσει σε όλους τους τομείς της ζωής μας και έχουν σηματοδοτήσει μια νέα εποχή στις επικοινωνίες, όπως κάποτε είχαν κάνει και ενσύρματα δίκτυα. Αυτή την στιγμή καταλαμβάνουν ένα μεγάλο μερίδιο της αγοράς των ηλεκτρονικών υπολογιστών στον τομέα της δικτύωσης και αποτελούν ένα συνεχώς εξελισόμενο αντικείμενο στον 15

ερευνητικό τομέα καθώς υπόσχονται ακόμα πολλά στον τομέα της διασύνδεσης των υπολογιστών αλλά και άλλων συσκευών που μπορούν να υιοθετήσουν αυτή την τεχνολογία [2], [3]. Τα ασύρματα δίκτυα αυτά έχουν δώσει απάντηση σε πολλά προβλήματα τα οποία παρουσιάζουν τα ενσύρματα ομόλογα τους. Όπως για παράδειγμα, πλέον οι χρήστες μπορούν να έχουν πρόσβαση σε κάποιο τοπικό δίκτυο ή γενικότερα στο διαδίκτυο από οποιοδήποτε σημείο μέσα στην γεωγραφική κάλυψη που υποστηρίζει το συγκεκριμένο δίκτυο (το τελευταίο απαιτεί συνήθως την υποστήριξη από ενσύρματη υποδομή λόγω των μεγάλων γεωγραφικών αποστάσεων). Ενώ αν ο χρήστης χρησιμοποιεί την ενσύρματη δικτύωση και είναι συνδεδεμένος σε ένα σημείο του δικτύου, τότε αν για κάποιο λόγο θέλει να συνδεθεί στο δίκτυο από κάποιο άλλο σημείο, τότε πρέπει να αποσυνδέσει την συσκευή του από το πρώτο σημείο και να την συνδέσει σε ένα άλλο σημείο πρόσβασης στο δίκτυο. Επιπλέον, τα ασύρματα δίκτυα μπορούν έυκολα, γρήγορα και φθηνά να στηθούν και να επεκταθούν χωρίς να απαιτείται καλωδίωση ή κάποιος ιδιαίτερος εξοπλισμός. Aντίθετα τα ενσύρματα δίκτυα απαιτούν μία συγκεκριμένη υποδομή, και κατά συνέπεια είναι ιδιαίτερα δύσκολη και ακριβή η εγκατάσταση, συντήρηση και επέκταση τους. Με άλλα λόγια τα ασύρματα δίκτυα μπορούν εύκολα να προσαρμόζονται δυναμικά στις απαιτήσεις των χρηστών. Οι χρήσεις των ασυρμάτων τοπικών δικτύων είναι αμέτρητες. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν οπουδήποτε, όπως σε ένα σπίτι ή μια επιχείρηση, για να διασύνδεσουν διαφόρες συσκεύες, όπως υπολογιστές, εκτυπωτές, τηλεοράσεις, ανιχνευτές και συστήματα παρακολούθησης και ασφάλειας. Μπορούν, επίσης, να χρησιμοποιηθούν σε δημόσιους χώρους όπου παρατηρείται μεγάλη κίνηση πολιτών, όπως αεροδρόμια, νοσοκομεία, πανεπιστήμια, βιβλιοθήκες, ξενοδοχεία, εκθεσιακοί χώροι και εμπορικά κέντρα. Άλλες πιθανές χρήσεις είναι σε μεγάλες επιχειρήσεις και κτίρια γραφείων, καθώς και στην βιομηχανία, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις όπου δεν είναι εύκολη η καλωδίωση, λόγω της κατασκευαστικής δομής του κτιρίου π.χ. κατασκευές από μπετόν κοκ, αλλά και από χρηματικής άποψης επειδή απαιτούν συγκεκριμένη υποδομή και ιδιαίτερο εξοπλισμό [1], [2]. Τέλος, τα ασύρματα τοπικά δίκτυα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιπτώσεις που χρειάζεται άμεση εξυπηρέτηση για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, όπως σε συνέδρια, αθλητικές ή εμπορικές διοργανώσεις, καταστάσεις έκτακτης ανάγκης π.χ. σε χώρους διάσωσης από καταστροφές και γενικότερα οπουδήποτε απαιτείται γρήγορη, ευέλικτη και οικονομική δικτύωση. Τα τελευταία ονομάζονται αδόμητα δίκτυα (ad hoc), και θεωρούνται ως τα δίκτυα τα οποία στήνονται γρήγορα και άμεσα χωρίς την ανάγκη κάποιου κεντρικού σημείου εξυπηρέτησης ή σημείου πρόσβασης για να λειτουργήσουν (το τελευταίο απαιτείται σε συνήθως σε περίπτωση σύνδεσης με το παγκόσμιο δίκτυο Internet, διότι μεσολαβεί ως σημείο πρόσβασης και διασύνδεσης με στα/τα ενσύρματα δίκτυα) [4]. Τα αδόμητα δίκτυα αποτελούν το αντικείμενο μελέτης της παρούσης διπλωματικής εργασίας. Επίσης, την τελευταία δεκαετία τα ενσύρματα δίκτυα έχουν αρχίσει να προσφέρουν υπηρεσίες πολυμέσων που όπως είναι γνωστό απαιτούν μεγάλο εύρος ζώνης και μεγάλους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων για να μπορούν να υποστηριχθούν. Όλο και περισσότεροι χρήστες ζητούν μετάδοση ήχου (VOIP), κινούμενης εικόνας (animation) και βίντεο (video), και πολλοί πλέον εκμεταλλεύονται τις δυνατότητες της τηλεδιάσκεψης. Άμεση συνέπεια αυτών είναι η απαίτηση των χρηστών να έχουν τις ίδιες δυνατότητες και με την ίδια ποιότητα (QOS, όπως είναι γνωστό από την επιστήμη των υπολογιστών) σε ένα ασύρματο δίκτυο. Έτσι, δεν μας ενδιαφέρει μόνο το μέγεθος του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων του 16

δικτύου, αλλά και η διασφάλιση ότι τα δεδομένα θα φτάσουν εντός ενός ορισμένου χρονικού διαστήματος στον προορισμό τους, ώστε να είναι ομαλή η μετάδοση του ήχου και της κινούμενης εικόνας. Αυτή η αυξημένη ζήτηση για όλο και πιο γρήγορη και αξιόπιστη επικοινωνία είναι η μεγάλη πρόκληση που έχουν να αντιμετωπίσουν σήμερα οι οργανισμοί προτυποποίησης και οι κατασκευάστριες εταιρίες. Επίσης, πολύ σημαντική είναι η δυνατότητα χρήσης ασυρμάτων δικτύων σε συνδυασμό με τα υπάρχοντα ενσύρματα δίκτυα. Έτσι, μπορεί κανείς να συνεχίσει να χρησιμοποιεί το ήδη υπάρχον ενσύρματο δίκτυο και ταυτόχρονα να το επεκτείνει όπου χρειάζεται με ένα ασύρματο. Επιπλέον, με αυτόν τον τρόπο, οι χρήστες ενός ασύρματου δικτύου μπορούν να αποκτούν γρήγορη πρόσβαση μέσω μιας ενσύρματης υποδομής σε τοπικές και απομακρυσμένες βάσεις δεδομένων. Τα βασικά μειονεκτήματα των ασύρματων δικτύων κινούνται γύρω από δυο βασικά θέματα. Το πρώτο αφορά το συγκριτικά μικρότερο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων σε σχέση με τα ενσύρματα δίκτυα, που ξεκινά από 1 Mbps και μπορεί να φτάσει τα 11 Mbps ή ακόμα και 54 Mbps, έναντι των 100 Mbps και 1000 Mbps που μπορεί να παρέχουν τα ενσύρματα ομόλογα τους και οφείλεται κυρίως στον υψηλό ρυθμό εμφάνισης σφαλμάτων. Το δεύτερο αφορά το ίδιο το επικοινωνιακό μέσο το οποίο χρησιμοποιούν τα ασύρματα δίκτυα, δηλαδή τον αέρα. Περιλαμβάνει δυο ζητήματα, την πολυπλοκότητα του ασύρματου περιβάλλοντος καθώς και την δυναμική του φύση που είναι δύσκολο να προβλεφθεί και τέλος, την ασφάλεια και την ιδιωτικότητα των δεδομένων που μεταδίδονται. Τα ζητήματα αυτά προκύπτουν από την ίδια τη φύση του ασύρματου δικτύου. Μπορεί για παράδειγμα να υπάρχουν εμπόδια στο χώρο, στα οποία όταν προσπέσει το ταξιδεύον σήμα από τον πομπό προς τον δέκτη, να ανακλαστεί, με τις γνωστές συνέπειες της πολυδρομής διάδοσης. Ακόμα και οι ίδιες οι καιρικες συνθήκες μπορεί να μην το επιτρέπουν αν μιλάμε για ασύρματη σύνδεση γειτονικών κτιρίων και βρέχει, τότε πάλι μπορεί να συναντήσουμε φαινόμενα όπως η πολύδρομη διάδοση κα. [3]. Τέλος, ότι αφορά την ιδιωτικότητα και κατά συνέπεια την ασφάλεια (security) των δεδομένων χρειάζεται να χρησιμοποιηθεί κωδικοποίηση των δεδομένων που προκειται να μεταδωθούν, έτσι ώστε να διασφαλιστεί η ιδιωτικότητα της επικοινωνίας που με την σειρά της εισάγει μια πολυπλοκότητα με αποτέλεσμα να μειώνεται ακόμα περισσότερο ο ρυθμός μετάδοσης των δεδομένων [1], [3]. 17

1.2 Εξέλίξεις Το πρώτο πρότυπο που επίσημα απευθύνθηκε σε ασύρματα τοπικά δίκτυα ήταν το IEEE 802.11. Το πρότυπο αυτό έχει συνεισφέρει πολύ στον τομέα της ασύρματης επικοινωνίας των υπολογιστών και έχουν ήδη κατασκευαστεί προϊόντα, τα οποία χρησιμοποιούνται επιτυχώς σε πολλές εφαρμογές. Βελτίωση αυτού του προτύπου αποτελούν οι επεκτάσεις IEEE 802.11a, 802.11b, 802.11g και η τελευταία επέκταση 802.11n draft, που υποστηρίζουν ακόμη μεγαλύτερες ταχύτητες και μεγαλύτερη γεωγραφική κάλυψη από αυτές του αρχικού προτύπου (το τελευταίο αφορά κυρίως την τελευταία επέκταση 802.11n draft). Πράγμα που σημαίνει ότι το 802.11 δεν πρόκειται να εγκαταλειφθεί στα επόμενα χρόνια μιας και ακόμη αποτελεί ένα σημαντικό αντικείμενο στο ερευνητικό τομέα της ασύρματης δικτύωσης των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Το πρότυπο ETSI Hiperlan/2 θα μπορούσε, να θεωρηθεί ως η ευρωπαϊκή απάντηση στο αμερικανικό 802.11, το οποίο όμως δεν αποτελεί αντικείμενο μελέτης της παρούσης διπλωματικής εργασίας, οπότε δεν θα γίνει περαιτέρω αναφορά περί αυτού. Περισσότερα χαρακτηριστικά για τις επεκτάσεις 802.11a, b, g, θα δούμε στο υποκεφάλαιο 2.4.6. Λόγω της πολυπλοκότητας των νέων αυτών επεκτάσεων, η διπλωματική εργασία θα περιοριστεί στην μελέτη του απλού προτύπου 802.11 μόνο, για το οποίο και θα ακολουθήσει μια εκτενής ανάλυση στο αμέσως επόμενο κεφάλαιο (κεφάλαιο 2). Στην συνέχεια θα ακολουθήσει η προσομοίωση του κυρίου πρωτοκόλλου που χρησιμοποιεί το πρότυπο 802.11 για την πρόσβαση στο μέσο, δηλαδή του γνωστού πρωτοκόλλου MAC (κεφάλαια 3, 4). Τέλος θα γίνει μια βελτίωση στο πρωτόκολλο MAC για την οποία θα ακολουθήσει και η αντίστοιχη ανάλυση και προσομοίωση αντίστοιχα (κεφάλαια 5, 6, 7). 18

2. Το πρότυπο IEEE 802.11 2.1 Εισαγωγή Το πρότυπο IEEE 802.11 για ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN 1 ) δημιουργήθηκε από την επιτροπή 802 για τα πρότυπα των τοπικών και μητροπολιτικών δικτύων του IEEE και οριστικοποιήθηκε το 1997. Ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων που υποστηρίζει ξεκινάει από τα 1 Mbps και φτάνει τα 2 Mbps με τη χρήση διαμόρφωσης φάσματος στις ζώνες συχνοτήτων ISM 2 στα 2.4-2.4835 GHz. Το 1999 προστέθηκαν δυο συμπληρωματικά πρότυπα, το 802.11b, το οποίο επέκτεινε την απόδοση του υπάρχοντος φυσικού επιπέδου των 2.4 GHz, φθάνοντας έναν μέγιστο ρυθμό μετάδοσης τα 11 Mbps, και το IEEE 802.11a, που υποστηρίζει υψηλότερες ταχύτητες, της τάξης των 20 έως 54 Mbps στην ζώνη των 5 GHZ. Στην συνέχεια ακολούθησαν ακόμα δυο πρότυπα το ΙΕΕΕ 802.11g και το ΙΕΕΕ 802.11n draft, τα οποία υποστηρίζουν ακόμη μεγαλύτερες ταχύτητες και τεχνολογία που επεκτείνει την γεωγραφική κάλυψη εξυπηρέτησης του δικτύου (το τελευταίο αφορά κυρίως τη νέα επέκταση ΙΕΕΕ 802.11n draft) [3]. Στον πίνακα 2.1 παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά των προτύπων αυτών. 802.11 802.11a 802.11b 802.11g 802.11n Εφαρμογή WLAN WLAN WLAN WLAN WLAN Ζώνη συχνοτήτων 2.4 GHz 5 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz ή/και 5 GHZ Μέγιστός ρυθμός μετάδοσης 2 Mbps 54 Mbps 11 Mbps 54 Mbps 300 Mbps Πίνακας 2.1: Οικογένεια προτύπων ΙΕΕΕ 802.11 Το πρότυπο αναφέρεται σε σταθερά (fixed), μεταφερόμενα (portable) και κινητά (mobile) τερματικά που λειτουργούν μέσα σε μία ορισμένη γεωγραφική περιοχή. Μεταφερόμενο τερματικό θα μπορούσε να θεωρηθεί αυτό που κινείται από μία περιοχή σε μία άλλη, αλλά χρησιμοποιείται σε σταθερή τοποθεσία π.χ. φορητός υπολογιστής (netbook, notebook, laptop), ενώ κινητό τερματικό αυτό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί και εν κινήσει, για παράδειγμα κινητό τηλέφωνο (mobile phone). Χρησιμοποιείται τόσο για δίκτυα υποδομής (infrastructure networks) όσο και για αδόμητα δίκτυα (ad hoc networks) που στήνονται προσωρινά και για όσο χρειαστούν, χωρίς να έχει προηγηθεί κάποιος προγραμματισμός ή να υπάρχει συγκεκριμένη υποδομή και ιδιαίτερος εξοπλισμός. Καθορίζει τον τρόπο λειτουργίας μεταξύ ενός ασύρματου σταθμού και ενός σημείου πρόσβασης, αλλά και ανάμεσα σε 1 Wireless Local Access Networks 2 Industrial Scientific Medical 3 Media Access Control 19

ασύρματους σταθμούς χωρίς την παρουσία κάποιου σημείου πρόσβασης (access point), που αφορούν τα δίκτυα υποδομής και αδόμητα δίκτυα αντίστοιχα [3]. Περιλαμβάνει το φυσικό επίπεδο (Physical layer) και το υποεπίπεδο ελέγχου πρόσβασης μέσου (MAC 3 ) του επιπέδου ζεύξης δεδομένων (Data Link layer). Επίσης, λόγω του ότι, το πρότυπο δημιουργήθηκε ώστε να είναι σε θέση να λειτουργήσει σε συνεργασία με τα άλλα πρότυπα της οικογένειας του 802, είτε προς τα πίσω ή με τις νέες εξελίξεις, έτσι το υποεπίπεδο MAC υλοποιήθηκε ώστε να χειρίζεται και κάποιες λειτουργίες οι οποίες συνδέονται κυρίως με υψηλότερα επίπεδα. Οι λειτουργίες αυτές περιλαμβάνουν τον τεμαχισμό των πλαισίων (fragmentation), τον εντοπισμό και την διόρθωση λαθών (error detection and correction), την διαχείριση κινητικότητας ενός σταθμού (mobility management), την διατήρηση αποθεμάτων ενέργειας (power conservation) και τον ελέγχο ισχύος (power control) [3], [4]. 20

2.2 Αρχιτεκτονική του ΙΕΕΕ 802.11 Η βασική δομική μονάδα ενός δικτύου ΙΕΕΕ 802.11 ονομάζεται βασικό σύνολο εξυπηρέτησης (Basic Service Set - BSS). Το βασικό σύνολο εξυπηρέτησης αποτελείται από ένα σύνολο σταθμών, οι οποίοι βρίσκονται κάτω από τον έλεγχο μιας συνάρτησης συντονισμού, είτε της DCF ή της PCF, οι οποίες συντονίζουν την λειτουργία των σταθμών μέσα στο δίκτυο. Έτσι οι σταθμοί μπορούν να επικοινωνούν απευθείας μεταξύ τους χρησιμοποιώντας το κοινό μέσο, δηλαδή τον αέρα (οι τελευταίες περιγράφονται στην συνέχεια) ή μέσω μιας ενδιάμεσης συσκευής που αναλαμβάνει τον κεντρικό έλεγχο της επικοινωνίας. Η γεωγραφική περιοχή μέσα στην οποία μπορούν τα μέλη ενός βασικού συνόλου εξυπηρέτησης να επικοινωνούν μεταξύ τους είναι γνωστή ως βασική περιοχή εξυπηρέτησης (Basic Service Area - BSA), και είναι ανάλογη της «κυψέλης» που χρησιμοποιούν τα κυψελώδη δίκτυα επικοινωνίας. Αν κάποιος σταθμός βγει από αυτή την περιοχή, τότε πλέον δεν αποτελεί μέλος του συγκεκριμένου βασικού συνόλου εξυπηρέτησης και άρα δεν μπορεί να επικοινωνήσει πλεον με τους υπόλοιπους σταθμούς. Αντίστοιχα αν κάποιος σταθμός εισέλθει στην βασική περιοχή εξυπηρέτησης ενός βασικού συνόλου εξυπηρέτησης, τότε μπορεί να αρχίσει την επικοινωνία με τα υπόλοιπα μέλη του [2]. Ένα παράδειγμα ενός συνόλου εξυπηρέτησης που ελέγχεται από μια μοναδα εξυπηρέτησης ή σημείο πρόσβασης (AP) φαίνεται στο σχήμα 2.1. Σχήμα 2.1: Βασικό σύνολο εξυπηρέτησης - BSS. 21

Το βασικό σύνολο εξυπηρέτησης - BSS θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να σχηματιστεί ένα αδόμητο δίκτυο (ad hoc network). Το αδόμητο δίκτυο μπορεί να σχηματιστεί με την ομαδοποίηση δυο ή περισσότερων τερματικών σε ένα βασικό σύνολο εξυπηρέτησης, χωρίς την παρουσία κάποιας κεντρικής μονάδας που να συντονίζει την επικοινωνία τους. Η τοπολογία αυτή είναι γνωστή ως ανεξάρτητο βασικό σύνολο εξυπηρέτησης (Independent BSS - IBSS). Είναι το είδος δικτύου που δημιουργείται χωρίς προηγούμενο προγραμματισμό για να υπάρχει μόνο για όσο χρόνο χρειάζεται. Ένα τέτοιο παράδειγμα παρουσιάζεται στο σχήμα 2.2. Σχήμα 2.2: Ανεξάρτητο σύνολο εξυπηρέτησης - IBSS Μπορούμε να συνδέσουμε δύο ή περισσότερα βασικά σύνολα εξυπηρέτησης μεταξύ τους μέσω ενός συστήματος διανομής (distribution system - DS). Μοναδική προϋπόθεση είναι να υπάρχει ένα τερματικό σε κάθε βασικό σύνολο εξυπηρέτησης το οποίο να έχει αναλάβει τον ρόλο του σημείου εξυπηρέτησης ή σημείου πρόσβασης (Αccess Point - AP) ανάμεσα στο βασικό σύνολο εξυπηρέτησης και στο σύστημα διανομής. Τα δίκτυα αυτά είναι γνωστά ως δίκτυα υποδομής (infrastructure networks). To σύστημα διανομής μπορεί ταυτόχρονα να είναι συνδεδεμένο και με κάποιο άλλο δίκτυο της οικογένειας των 802.x μέσω μίας πύλης (portal). Αν συνδέσουμε πολλά συστήματα διανομής και πολλά βασικά σύνολα εξυπηρέτησης τότε δημιουργείται ένα ασύρματο δίκτυο μεγάλου μεγέθους και μεγάλης πολυπλοκότητας, το οποίο ονομάζεται σύνολο ευρείας εξυπηρέτησης (Extended Service Set - ESS). Ένα σύνολο ευρείας εξυπηρέτησης και ένα ανεξάρτητο βασικό σύνολο εξυπηρέτησης φαίνονται ίδια στο επίπεδο λογικής ζεύξης, έτσι ένα τερματικό μπορεί να κινείται από ένα βασικό σύνολο εξυπηρέτησης σε ένα άλλο, μέσα στο ίδιο σύνολο ευρείας εξυπηρέτησης, χωρίς αυτό να γίνεται αντιληπτό στο επίπεδο λογικής ζεύξης. Δύο βασικά σύνολα εξυπηρέτησης ενός συνόλου ευρείας 22

εξυπηρέτησης μπορεί να καλύπτουν διαφορετικές περιοχές, την ίδια περιοχή, ή να έχουν κατά ένα μέρος κοινή περιοχή κάλυψης. Παράδειγμα τέτοιου δικτύου αποτελεί το σύστημα που φαίνεται στο σχήμα 2.3. Σχήμα 2.3: ESS (Extended Service Set) και σύνδεση με άλλα δίκτυα μέσω ειδικής πύλης. 23

Το πρότυπο κάνει τον διαχωρισμό του συστήματος σε δύο βασικά μέρη, στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων (Data link layer) και στο φυσικό επίπεδο (Physical layer). Τα δυο αυτά τμήματα αναφέρονται στα δύο χαμηλότερα επίπεδα του προτύπου της Διασύνδεσης Ανοικτών Συστημάτων (OSI 1 ), που αποτελεί το βασικό μοντέλο αναφοράς του Διεθνή Οργανισμού Προτυποποίησης (ISO 2 ). Το σχήμα 2.4 παρουσιάζει τα δυο αυτά τμήματα, καθώς και τα υπό τμήματα από τα οποία αποτελούνται [3]. Επίπεδο ζεύξης δεδομένων (Data link layer) Φυσικό επίπεδο (Physical layer) Υποεπίπεδο ελέγχου πρόσβασης μέσου (Medium Access Control - MAC sublayer) Υποεπίπεδο διαδικασίας σύγκλισης του φυσικού επιπέδου (Physical layer convergence procedure - PLCP - sublayer) Υποεπίπεδο εξάρτησης φυσικού μέσου (Physical medium dependent - PMD - sublayer) Διαχείριση υποεπιπέδου ελέγχου πρόσβασης μέσου (MAC sublayer management) Διαχείριση φυσικού υποεπιπέδου (PHY sublayer management) Διαχείριση σταθμού (Station management) Σχήμα 2.4: Τα επίπεδα του προτύπου ΙΕΕΕ 802.11 1 Open Systems Interconnection 2 International Standards Organisation 24

2.3 Φυσικό επίπεδο 2.3.1 Το φυσικό επίπεδο υπερύθρων (Infrared - IR) Η τεχνική αυτή εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι τα μήκη κύματος του υπέρυθρου και του ορατού φωτός βρίσκονται κοντά, έτσι συμπεριφέρονται όμοια. Το υπέρυθρο φως απορροφάται από τα σκοτεινά αντικείμενα, ανακλάται από τα φωτεινά αντικείμενα, και δεν μπορεί να διαπεράσει τοίχους. Το γεγονός αυτό το περιορίζει ως προς την χρήση του λόγω της περιορισμένης γεωγραφικής κάλυψης, αλλά έχει σημαντικά πλεονεκτήματα συγκριτικά με άλλες υλοποιήσεις του φυσικού επιπέδου, αφού το υπέρυθρο φάσμα δίνει την δυνατότητα επίτευξης πολύ υψηλών ρυθμών μετάδοσης. Επιπλέον στις περισσότερες φορές τα υπέρυθρα σήματα αναδιαμορφώνονται με ανίχνευση του πλάτους τους και όχι της συχνότητας ή της φάσης τους. Αυτό μειώνει την πολυπλοκότητα των δεκτών, έτσι μειώνεται το συνολικό κόστος του συστήματος [3]. Τα υπέρυθρα συστήματα μπορεί ακόμη να χρησιμοποιηθούν σε μεγάλους συνεδριακούς χώρους ή βιβλιοθήκες Για την διαμόρφωση του σήματος χρησιμοποιείται η διαμόρφωση θέσης παλμού (PPM 1 ). Η επικοινωνία επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας την διάχυτη υπέρυθρη ακτινοβολία (Diffuse Infrared), η οποία «πλημμυρίζει» μια κλειστή περιοχή όπως ένα δωμάτιο ή μια αίθουσα, αφού το σήμα αντανακλάται στους τοίχους και το ταβάνι. Έτσι, σε αντίθεση με την ευθεία υπέρυθρη ακτινοβολία (Direct Infrared) όπου πομπός και δέκτης πρέπει να είναι ευθυγραμμισμένοι, ο χρήστης μπορεί να κινείται ελεύθερα μέσα στο δωμάτιο. 2.3.2 Το φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος μεταπήδησης συχνότητας (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS) Στην τεχνική αυτή, το σήμα εκπέμπεται μέσω ενός φαινομενικά τυχαίου συνόλου καναλιών συχνότητας, μεταπηδώντας από συχνότητα σε συχνότητα ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Για την διαμόρφωση του σήματος χρησιμοποιείται η γκαουσιανή μεταλλαγή μετατόπισης συχνότητας (GFSK 2 ), ενώ το φέρον μεταπηδά σε διαφορετικές ψευδοτυχαίες συχνότητες ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Σαν αποτέλεσμα, το σήμα διευρύνεται σε μία μεγάλη περιοχή του φάσματος, ανάλογη του αριθμού των διαφορετικών συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται. Ο δέκτης μπορεί να αναδιαμορφώσει το σήμα αφού γνωρίζει τον ρυθμό μεταπήδησις και την ψευδοτυχαία ακολουθία συχνοτήτων που χρησιμοποιείται. Ο αριθμός των διαθέσιμων συχνοτήτων μπορεί να διαφέρει από χώρα σε χώρα, αλλά για τις ΗΠΑ και την Ευρώπη έχει καθοριστεί στις 79, και κάθε κανάλι καταλαμβάνει από 1 MHz [3],[7]. Τα ασύρματα τοπικά δίκτυα που χρησιμοποιούν αυτό σύστημα μετάδοσης αντιμετωπίζουν επιτυχώς το πρόβλημα θορύβου και των παρεμβολών που προέρχονται από άλλες πηγές ραδιοκυμάτων, διότι η συχνότητα μετάδοσης αλλάζει συνεχώς τιμή. Έτσι, τυχόν παρεμβολές γίνονται αντιληπτές μόνο για ένα μικρό τμήμα του χρόνου, στο οποίο τυχαίνει να είναι κοντά η συχνότητα μετάδοσης με την συχνότητα των παρεμβολών. Επίσης, η γρήγορη μετατόπιση της συχνότητας το καθιστά ιδιαίτερα χρήσιμο σε περιβάλλον με πολλούς χρήστες, όπου υπάρχει επικάλυψη μεταξύ των συνόλων εξυπηρέτησης και κάθε σύνολο εξυπηρέτησης 1 Pulse Position Modulation 2 Gaussian Frequency Shift Keying 25

συνορεύει με πολλά άλλα [6]. Ένα άλλο πλεονέκτημα της τεχνικής αυτής είναι ότι λόγω της φιλοσοφίας τους, είναι δυνατό να λειτουργούν δυο ή περισσότερα δίκτυα FHSS στην ίδια γεωγραφική περιοχή. Αυτό επιτυγχάνεται με την ρύθμιση των δικτύων ώστε να χρησιμοποιούν ορθογώνιες ακολουθίες μεταπήδησις. Τα σύνολα αυτών των ακολουθιών είναι δυνατό να καθοριστούν με τέτοιον τρόπο ώστε τα μέλη κάθε συνόλου να εμφανίζουν βέλτιστες ιδιότητες συσχέτισης. Η ιδιότητα της ορθογωνιοποίησης εξασφαλίζει ότι δυο οποιαδήποτε μοτίβα που λαμβάνονται από το ίδιο σύνολο συγκροτούνται το πολύ σε μια συχνότητα. Επειδή το μέγεθος των μοτίβων μπορεί να οριστεί να είναι αρκετά μεγάλο, είναι δυνατό να λειτουργούν πολλά FHSS δίκτυα στην ίδια περιοχή με αποδεκτή απόδοση [3]. 2.3.3 To φυσικό επίπεδο διασποράς φάσματος άμεσης ακολουθίας (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS) Στην τεχνική αυτή κάθε bit του αρχικού σήματος αντιπροσωπεύεται στο διεσπαρμένο σήμα από ένα πλήθος bit. Αυτό μπορεί να γίνει με τον δυαδικό πολλαπλασιασμό (XOR) των bit δεδομένων με μια ακολουθία ψευδοτυχαίων bit υψηλότερου ρυθμού η οποία είναι γνωστή ως κώδικας chip. Η ροή που προκύπτει έχει ρυθμό ίσο με αυτόν του κώδικα chip, και εισάγεται σε έναν διαμορφωτή ο οποίος την μετατρέπει σε αναλογική μορφή προκειμένου να μεταδοθεί [3]. Ουσιαστικά η διαμόρφωση του σήματος επιτυγχάνεται πολλαπλασιάζοντας το σήμα πληροφορίας με μία ψευδοτυχαία ακολουθία από bits (Pseudo-random numerical seqence). Στη συνέχεια, το αποτέλεσμα διαμορφώνεται χρησιμοποιώντας δυαδική ή ορθογωνική διαφορική μεταλλαγή μετατόπισης φάσης (DBPSK 1 ή DQPSK 2 ). Έτσι, το σήμα διευρύνεται σε μία μεγάλη περιοχή συχνοτήτων, χωρίς, όμως, να χάσει την συνολική του ενέργεια, και το φάσμα του μοιάζει σαν αυτό του θορύβου. Στον δέκτη ακολουθείται η αντίστροφη διαδικασία χρησιμοποιώντας την ίδια ψευδοτυχαία ακολουθία από bits, και γίνεται η επανάκτηση του αρχικού σήματος πληροφορίας. Η μέθοδος αυτή μπορεί να εξάγει ένα σήμα δεδομένων μέσα από παρεμβολές και θόρυβο στενής ζώνης, γεγονός που οδηγεί σε λιγότερες αναμεταδόσεις, ενισχύοντας έτσι την συνολική απόδοση του συστήματος. Έτσι η πιθανότητα εμφάνισης παρεμβολών είναι μικρότερη από εκείνη των αντίστοιχων συστημάτων μεταπήδησις συχνότητας. Επίσης επιτρέπει την ταυτόχρονη λειτουργία διαφορετικών ασύρματων δικτύων. Οι ταχύτητες που υποστηρίζονται είναι της τάξης των 1 Mbps με DBPSK και των 2 Mbps με DQPSK. Χρησιμοποιούνται 11 συχνότητες στην Αμερική και 13 στην Ευρώπη, αλλά η συχνότητα επικοινωνίας παραμένει κάθε φορά σταθερή, αντίθετα με το Διευρυμένο Φάσμα με διαμόρφωση συχνότητας κατά διαστήματα (FHSS), και το κάθε κανάλι καταλαμβάνει 22 MHz [3],[7].Βέβαια, η περιοχή κάλυψης εξαρτάται από τον επιθυμητό ρυθμό δεδομένων και από το σχεδιασμό του χώρου [6]. 1 Differential Binary Phase Shift Keying 2 Differential Quadrature Phase Shift Keying 26

2.3.4 To φυσικό επίπεδο ορθογωνικής πολύπλεξης διαίρεσης συχνότητας (Orthogonal Frequenct Division Multiplexing OFDM) Το ασύρματο δίκτυο ΙΕΕΕ 802.11a λειτουργεί στις ζώνες των 5 GHz και χρησιμοποιεί ορθογωνική πολύπλεξη διαίρεσης συχνότητας (OFDM) προκειμένου να διασπείρει το μεταδιδόμενο σήμα σε μια ευρεία περιοχή συχνοτήτων. Η πολύπλεξη αυτή αποτελεί μια μορφή μετάδοσης πολλαπλών φορέων (multicarrier) και διαιρεί το διαθέσιμο φάσμα σε πολλούς φορείς, καθένας από τους οποίους διαμορφώνεται από μια ροή δεδομένων χαμηλού ρυθμού με τη χρήση διαμόρφωσης μετατόπισης φάσης (Phase Shift Keying, PSK). Η OFDM μοιάζει με την τεχνική (Frequency Division Multiple Access, FDMA) στο ότι η πρόσβαση πολλών χρηστών επιτυγχάνεται με την υποδιαίρεση του διαθέσιμου εύρους ζώνης σε πολλά κανάλια, τα οποία ανατίθενται κατόπιν στους χρήστες. Ωστόσο, η πολύπλεξη OFDM χρησιμοποιεί το φάσμα με αποδοτικότερο τρόπο, τοποθετώντας τα κανάλια πολύ πιο κοντά μεταξύ τους. Αυτό το επιτυγχάνει καθιστώντας τους φορείς ορθογώνιους μεταξύ τους, οπότε και αποτρέπονται οι παρεμβολές μεταξύ των γειτονικών φορέων. Κάθε φορέας είναι πολύ στενού εύρους ζώνης, κάτι που σημαίνει ότι ο ρυθμός μετάδοσης είναι αργός. Η πολύπλεξη OFDM αντιμετωπίζει αποτελεσματικά διασυμβολικές παρεμβολές. Τα σύμβολα της OFDM παρατείνονται με τεχνητό τρόπο, με την περιοδική επανάληψη της «ουράς» του συμβόλου πριν την μετάδοση του ίδιου του συμβόλου. Στο δέκτη, το αποκαλούμενο διάστημα προστασίας και αφαιρείται και πάλι. Εφόσον το μήκος του αυτού του διαστήματος είναι μεγαλύτερο από τη μέγιστη καθυστέρηση καναλιού, όλες οι αντανακλάσεις των προηγούμενων συμβόλων αφαιρούνται και η ορθογωνιότητα διατηρείται. Ωστόσο, επειδή το διάστημα προστασίας προηγείται του χρήσιμου τμήματος του συμβόλου, χάνονται μερικά τμήματα του σήματος τα οποία δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν για τη μετάδοση πληροφοριών. Οι ταχύτητες που υποστηρίζονται λόγω αυτής της προσέγγισης κυμαίνονται από 6 εώς 54 Mbps. Οι ρυθμοί μετάδοσης που υποχρεωτικά πρέπει να υποστηρίζονται είναι αυτοί των 6, 12 και 24 Mbps. Ανάλογα με τον ρυθμό μετάδοσης, και στα δυο πρότυπα υιοθετούνται, μαζί με την τεχνική ορθογωνικής πολύπλεξης διαίρεσης συχνότητας, και οι τεχνικές 16-Quadrature Amplitude Modulation (16-QAM) ή 64-QAM [3]. 27

2.4 Υποεπίπεδο MAC Το τμήμα αυτό καθορίζει τα μέσα για να γίνει δυνατή η πρόσβαση στο ασύρματο μέσο και είναι υπεύθυνο για τα πλαίσια που μεταδίδονται, τη μορφή τους, τον έλεγχο λαθών, τον τεμαχισμό και την επανασυγκόλληση τους. Συγκεκριμένα καθορίζεται ένα μοναδικό υπό επίπεδο MAC για χρήση με όλα τα προαναφερθέντα συστήματα μετάδοσης. Το πρωτόκολλο MAC που χρησιμοποιείται είναι ένα πρωτόκολλο CSMA/CA που ονομάζεται κατανεμημένη θεμελίωση ασύρματου MAC (Distributed Foundation Wireless MAC, DFWMAC) και είναι παρόμοιο με το αντίστοιχο πρωτόκολλο του προτύπου 802.3 για τα ενσύρματα δίκτυα Ethernet. Το DFWMAC αναφέρεται και ως κατανεμημένη συνάρτηση συντονισμού (Distributed Coordination Function, DCF) η οποία προσφέρει μόνο μια υπηρεσία καλύτερης δυνατής προσπάθειας. Η DCF είναι γνωστή ως μέθοδος πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος και με αποφυγή συγκρούσεων (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - CSMA/CA). Πρόκειται για μία κατανεμημένη λειτουργία του δικτύου, κατά την διάρκεια της οποίας όλα τα τερματικά έχουν την ίδια προτεραιότητα και ανταγωνίζονται επί ίσοις όροις για την κατάληψη του μέσου. Επίσης, καθορίζει μια υπηρεσία γνωστή ως σημειακή συνάρτηση συντονισμού (Point Coordination Function, PCF), που χρησιμοποιείται για τις χρονικά εξαρτώμενες υπηρεσίες μέσω χρήσης ενός μηχανισμού που δεν απαιτεί ανταγωνισμό και προσφέρεται μόνο για τα δίκτυα υποδομής (infrastructure networks) [3]. Στην σημειακή λειτουργία συγχρονισμού ένα τερματικό υψηλής προτεραιότητας αναλαμβάνει για ένα χρονικό διάστημα την διαχείριση του δικτύου και δίνει με τη σειρά δυνατότητα εκπομπής στα τερματικά υψηλής προτεραιότητας. Έτσι εξυπηρετούνται καλύτερα τα τερματικά υψηλής προτεραιότητας, αυτά δηλαδή που στέλνουν ευαίσθητα ως προς τον χρόνο δεδομένα, όπως η φωνή και κυρίως το video. Στη συνέχεια δίνονται μερικές πληροφορίες σχετικά με τα είδη των πλαισίων και μετά θα ακολουθήσει μια πιο λεπτομερής ανάλυση της λειτουργίας της κατανεμημένης συνάρτησης συντονισμού. Τέλος, θα θέλαμε να τονίσουμε πως η διπλωματική εργασία έχει ως στόχο την μελέτη μόνο της κατανεμημένης συνάρτησης συντονισμού (DCF), η οποία χρησιμοποιείται ως η κύρια μέθοδος πρόσβασης στο κοινό μέσο στα αδόμητα δίκτυα (ad hoc networks), τα οποία και καλούμαστε να μελετήσουμε σε αυτήν εργασία. Έτσι, δεν θα γίνει περαιτέρω αναφορά στην σημειακή συνάρτηση συντονισμού (PCF). 28

2.4.1 Είδη πλαισίων Υπάρχουν τρία είδη πλαισίων: τα πλαίσια δεδομένων (data frames), τα πλαίσια ελέγχου (control frames) και τα πλαίσια διαχείρισης (management frames). Η γενική μορφή ενός πλαισίου (frame) του υπό επιπέδου MAC δίνεται στο παρακάτω σχήμα, 2.6. Κάθε πλαίσιο αποτελείται από τρία τμήματα: την Επικεφαλίδα του υποεπιπέδου ελέγχου πρόσβασης μέσου (MAC Header), το Σώμα πλαισίου (Frame Body) και την Ακολουθία ελέγχου πλαισίου (Frame Check Sequence - FCS). MAC Header (30 bytes) Frame Body (0-2312 bytes) Frame Check Sequence-FCS (4 bytes) Frame control (2 bytes) Duration / ID (2 bytes) Address 1 (6 bytes) Address 2 (6 bytes) Address 3 (6 bytes) Sequence Control (2 bytes) Address 4 (6 bytes) Protocol Type Subtype To From More Retry Power More WEP Order Version DS DS Frag Mgt Data bits: 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1 Σχήμα 2.5: Μορφή πλαισίου του IEEE 802.11 Το τμήμα του Σώματος πλαισίου (Frame Body) περιέχει είτε τα δεδομένα που στέλνει ένα τερματικό, όταν πρόκειται για πλαίσιο δεδομένων, είτε κάποιες άλλες πληροφορίες χρήσιμες για την λειτουργία του δικτύου, όταν πρόκειται για πλαίσιο διαχείρισης του δικτύου. Σε κάποια είδη πλαισίων μπορεί το τμήμα του Σώματος πλαισίου να μην χρησιμοποιείται και έτσι αυτό παραλείπεται. Το τμήμα Ακολουθία ελέγχου πλαισίου (Frame Check Sequence - FCS) χρησιμοποιείται στην επαλήθευση της σωστής λήψης του πλαισίου. Στο τμήμα αυτό περιέχεται μία τιμή που προκύπτει από έναν κώδικα που ονομάζουμε Κυκλικό κώδικα ελέγχου σφάλματος με τη μέθοδο προσθήκης πλεονασμού (32-bit Cyclic Redundancy Code - CRC), ο οποίος αναφέρεται στο προηγούμενο τμήμα του πακέτου, δηλαδή στην Επικεφαλίδα και στο Σώμα πλαισίου. Ο παραλήπτης του πακέτου χρησιμοποιεί τον ίδιο κώδικα για το ίδιο τμήμα του πακέτου και συγκρίνει την τιμή που βρίσκει με αυτήν που είναι απoθηκευμένη στο τμήμα της Ακολουθίας ελέγχου πλαισίου. Έτσι, μπορεί να καταλάβει αν το πακέτο που έλαβε έχει σταλεί σωστά, όταν οι δύο αριθμοί ταυτίζονται, ή αν έγινε κάποιο λάθος κατά την μετάδοσή του, όταν οι αριθμοί είναι διαφορετικοί. Το τμήμα της Επικεφαλίδας (MAC Header) χωρίζεται σε επτά υπό τμήματα, όπως στο σχήμα. Αυτά είναι ο Έλεγχος πλαισίου (Frame Control), η Διάρκεια/αναγνώριση (Duration / Identification - ID), η Διεύθυνση 1 (Address 1), η Διεύθυνση 2 (Address 2), η Διεύθυνση 3 (Address 3), ο Έλεγχος ακολουθίας (Sequence Control) και η Διεύθυνση 4 (Address 4). Κάποια ή ακόμη και όλα από τα 29

τμήματα Διεύθυνση 2, Διεύθυνση 3, Διεύθυνση 4 και Έλεγχος ακολουθίας μπορεί να μην περιέχονται σε κάποια είδη πακέτων. Το τμήμα της Διάρκειας/αναγνώρισης περιέχει, ανάλογα με το είδος του πλαισίου, είτε την διάρκεια κράτησης του μέσου από κάποιο τερματικό, είτε τον αριθμό αναγνώρισης του βασικού συνόλου εξυπηρέτησης (BSSID). Ο συνδυασμός των τεσσάρων τμημάτων διευθύνσεων μαζί με τα υπό τμήματα «Προς σύστημα διανομής» (To DS) και «Από σύστημα διανομής» (DS) του Ελέγχου πλαισίου που θα δούμε παρακάτω, δίνει τις διευθύνσεις του αποστολέα (source address), του παραλήπτη (destination address) και του βασικού συνόλου εξυπηρέτησης (BSSID). Το τμήμα του Ελέγχου ακολουθίας περιέχει τον αριθμό του πλαισίου (sequence number) που εκπέμπεται, καθώς και τον αριθμό του τεμαχίου του πλαισίου (fragment number), όταν πρόκειται για πλαίσιο που έχει τεμαχιστεί σε μικρότερα. Το τμήμα Έλεγχος πλαισίου χωρίζεται επίσης σε υπό τμήματα όπως στο σχήμα. Αυτά είναι η Έκδοση του πρωτοκόλλου (Protocol Version), ο Τύπος (Type) και ο Υπότυπος (Subtype) του πλαισίου, τα τμήματα Προς σύστημα διανομής (To DS) και Από σύστημα διανομής (From DS), το τμήμα Περισσότερα τεμάχια (More Fragments), το τμήμα Eπαναεκπομπής (Retry), η Διαχείριση ισχύος (Power Management), το τμήμα Περισσότερα δεδομένα (More data), το τμήμα κωδικοποίησης WEP (Wired Equivalent Privacy) και το τμήμα Σειράς (Order). 30

2.4.2 Χρονικά διαστήματα Η κατανεμημένη συνάρτηση συντονισμού χρησιμοποιεί τρεις τιμές για τα διαστήματα (InterFrame Spaces - IFS) μεταξύ διαδοχικών πλαισίων, των οποίων οι τιμές εξαρτώνται από το εκάστοτε σύστημα μετάδοσης και είναι ανεξάρτητες από τον ρυθμό δεδομένων του δικτύου. Το μικρότερο από αυτά ονομάζεται SIFS (Short InterFrame Space) και χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις αποστολής κάποιας άμεσης απάντησης, όπως ενός πλαισίου ACK ή CTS, ή για την αποστολή του πακέτου δεδομένων αμέσως μετά την λήψη ενός έγκυρου CTS. Επόμενο σε μέγεθος είναι το PIFS (Point coordination function InterFrame Space), το οποίο χρησιμοποιείται στην λειτουργία PCF για να καταληφθεί το κανάλι από το τερματικό που θα δίνει την άδεια χρήσης του καναλιού στα υπόλοιπα τερματικά. Αμέσως μεγαλύτερο είναι το DIFS (Distributed coordination function InterFrame Space), το οποίο εκφράζει και την μικρότερη δυνατή καθυστέρηση ανάμεσα στην εκπομπή δύο διαδοχικών πακέτων δεδομένων στην λειτουργία DCF. Τέλος, το μεγαλύτερο σε μέγεθος είναι το EIFS (Extended InterFrame Space), το οποίο χρησιμοποιείται στην λειτουργία DCF όταν το φυσικό επίπεδο εντοπίζει ότι έγινε μία λάθος λήψη πλαισίου, και ενημερώνει για αυτό το υπό επίπεδο ελέγχου πρόσβασης μέσου. Μετά, όμως, από την λήψη ενός σωστού πλαισίου κατά την διάρκεια του EIFS, χρησιμοποιείται και πάλι το DIFS. Το EIFS χρησιμοποιείται γιατί δίνει την δυνατότητα στο αποστολέα του λάθους πλαισίου να καταλάβει ότι δεν έγινε σωστή λήψη. Οι σχέσεις ανάμεσα στα IFS και οι τιμές τους για κάθε σύστημα μετάδοσης δίνονται στα παρακάτω σχήματα. Η τιμή της χρονοθυρίδας (slot time) δεν είναι σταθερή, αλλά εξαρτάται από το εκάστοτε σύστημα μετάδοσης [4]. DIFS PIFS Slot time SIFS Slot time Slot time Σχήμα 2.6: Σχέσεις ανάμεσα στα χρονικά διαστήματα αναμονής FHSS DSSS IR Slot Time 50 μsec 20 μsec 8 μsec SIFS 28 μsec 10 μsec 10 μsec PIFS 78 μsec 30 μsec 18 μsec DIFS 128 μsec 50 μsec 26 μsec EIFS 1024 μsec 1088 μsec 953 μsec Πίνακας 2.2: Οι τιμές των χρονικών διαστημάτων αναμονής και της χρονοθυρίδας σε κάθε σύστημα μετάδοσης 31

2.4.3 Κατανεμημένη συνάρτηση συγχρονισμού (Distributed Coordination Function - DCF) H DCF είναι ο βασικός τρόπος πρόσβασης στο κοινό μέσο και υποστηρίζει ασύγχρονη μετάδοση δεδομένων καλύτερης δυνατής προσπάθειας. Είναι η βασική μέθοδος που χρησιμοποιείται στα αδόμητα δίκτυα (ad hoc networks), μπορεί όμως να λειτουργήσει ή να συνυπάρχει μαζί με την σημειακή κατανεμημένη συνάρτηση συγχρονισμού (PCF). Στο σχήμα 2.4.3 φαίνεται η αρχιτεκτονική του MAC, όπου φαίνεται ότι η DCF βρίσκεται ακριβώς πάνω από το φυσικό επίπεδο και υποστηρίζει υπηρεσίες διεκδίκησης. Οι τελευταίες ορίζουν ότι κάθε σταθμός με πλαίσιο προς αποστολή πρέπει να διεκδικήσει το κανάλι, και μόλις μεταδοθεί το πλαίσιο αυτό πρέπει να επαναδιεκδικήσει το κανάλι για κάθε πλαίσιο της ακολουθίας των πλαισίων που έχει να μεταδώσει. Οι υπηρεσίες διεκδίκησης καθορίζουν δίκαια πρόσβαση στο κανάλι για όλους τους σταθμούς [2]. DATA LINK Έλεγχος πρόσβασης μέσου (MAC) PHYSICAL Σημειακή Λειτουργία Συγχρονισμού (Point Coordination Function - PCF) Κατανεμημένη Λειτουργία Συγχρονισμού (Distributed Coordination Function - DCF) Σχήμα 2.7: Αρχιτεκτονική του υποεπιπέδου MAC Η DCF βασίζεται στο πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος και με αποφυγή συγκρούσεων (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CA) και είναι παρόμοια σε λειτουργία με την πολλαπλή πρόσβαση με ανίχνευση φέροντος και με ανίχνευση συγκρούσεων (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CSMA/CD) που χρησιμοποιείται σε ενσύρματα δίκτυα Ethernet - IEEE 802.3. Ωστόσο η τεχνική της ανίχνευσης συγκρούσεων δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα ασύρματο δίκτυο, λόγω της ίδιας της φύσης του δικτύου. Πιο συγκεκριμένα η μέθοδος της ανίχνευσης συγκρούσεων απαιτεί από ένα τερματικό να «ακούει» το μέσο για τυχόν συγκρούσεις και ταυτόχρονα να εκπέμπει. Κάτι τέτοιο είναι εύκολα υλοποιήσιμο σε ένα ενσύρματο δίκτυο όπου η διαφορά στα επίπεδα ενός εκπεμπόμενου και ενός λαμβανόμενου σήματος είναι αρκετά μικρή, γεγονός που επιτρέπει την ανίχνευση τυχόν σύγκρουσης. Αντίθετα, σε ένα ασύρματο δίκτυο η ενέργεια του εκπεμπόμενου σήματος σκορπίζεται προς όλες τις διευθύνσεις και οι δέκτες πρέπει να είναι πολύ ευαίσθητοι για να εντοπίσουν το σήμα. Έτσι, ακόμα και αν μόνο δύο τερματικά εκπέμπουν ταυτόχρονα είναι δύσκολο να ανιχνευθεί η σύγκρουση επειδή η ισχύς του ενός πομπού καλύπτει την ισχύ από την άλλη εκπομπή. Επιπλέον, σε ένα ασύρματο δίκτυο υπάρχει υψηλή αλλά και μεταβαλλόμενη εξασθένιση του σήματος, ιδιαίτερα στην περίπτωση κινητών τερματικών, πράγμα που καθιστά ακόμη δυσκολότερη την ανίχνευση συγκρούσεων. Τέλος, σε ένα ασύρματο δίκτυο η ακτίνα εκπομπής και λήψης κάθε τερματικού είναι συγκεκριμένη και πεπερασμένη, με αποτέλεσμα κάθε τερματικό να έχει μία διαφορετική εικόνα ως προς την έκταση του μέσου και το σύνολο των 32