802.11ac: Enhancements for Very High Throughput

Scuola Politecnica e delle Scienze di Base
Corso di Laurea in Ingegneria Informatica
Elaborato finale in Protocolli per reti mobili
802.11ac: Enhancements for Very High
Throughput
Anno Accademico 2014-2015
Candidato:
Gaetano Di Fiore
matr. N46/000184
Alla mia famiglia che mi ha
sempre sostenuto.
Indice
Indice ............................................................................................................................................ III
Introduzione .................................................................................................................................... 1
Capitolo 1: IEEE 802.11 ................................................................................................................. 2
Capitolo 2: IEEE 802.11ac .............................................................................................................. 4
Capitolo 3: LIVELLO FISICO ........................................................................................................ 5
3.1 Banda di frequenza e maggiore ampiezza dei canali .............................................................. 5
3.2 Modulazione ......................................................................................................................... 6
3.3 Spatial Streams e MCS .......................................................................................................... 7
3.4 Aggregazione di frame .......................................................................................................... 8
Capitolo 4: LIVELLO MAC ......................................................................................................... 10
4.1 Frame al livello MAC .......................................................................................................... 10
4.2 Frame di management ......................................................................................................... 11
4.2 Procedure di accesso al mezzo ............................................................................................. 12
4.3 Protezione e coesistenza di 802.11ac con i vecchi dispositivi 802.11 ................................... 14
4.4 Operazioni per banda dinamica (RTS/CTS) ......................................................................... 14
4.5 Sicurezza ............................................................................................................................. 15
Capitolo 5: BEAMFORMING ...................................................................................................... 16
Conclusioni ................................................................................................................................... 19
Bibliografia ................................................................................................................................... 20
Introduzione
Questa tesi ha come oggetto l’esposizione delle funzionalità introdotte con l’emendamento
802.11ac. Tratterò le novità introdotte sia a livello fisico sia a livello MAC che hanno
consentito di raggiungere throughput molto elevati da cui il nome Very High Throughput
(VHT). Dopo una descrizione generale dello standard IEEE 802.11 (capitolo 1) e delle
problematiche delle reti wireless, esporrò le peculiarità dell’emendamento 802.11ac
analizzando nel dettaglio gli aspetti che lo caratterizzano, facendo anche qualche
confronto con l’emendamento precedente 802.11n ormai molto diffuso.
1
Capitolo 1: IEEE 802.11
La IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) è un’associazione
internazionale di professionisti che ha come obiettivo la definizione e pubblicazione di
standard riguardanti l’informatica, l’elettronica, l’elettrotecnica e le telecomunicazioni.
La IEEE 802 è una commissione dell’IEEE preposta a sviluppare standard per le reti locali
(LAN: Local Area Network) e per le reti metropolitane (MAN: Metropolitan Area
Network).
IEEE 802.11 definisce un insieme di standard di trasmissione per le reti WLAN (Wireless
Local Area Network), rete locale che utilizza la tecnologia wireless invece di una
connessione cablata, e si occupa sia del livello fisico sia del livello MAC del modello
ISO/OSI. Esso definisce tecniche per codifica e modulazione dei dati, tecniche di accesso
al mezzo condiviso e procedure per garantire la riservatezza delle informazioni. I
protocolli per le reti wireless operano nelle bande ISM non licenziate dei 2.4 GHz e dei 5
GHz.
Il primo standard per le reti WLAN è stato pubblicato nel giugno 1997, successivamente
sono state aggiunte nuove caratteristiche allo standard 802.11, queste sono state rilasciate
sotto forma di emendamenti, ognuno individuato da una lettera.
Nel 2007 è stata prodotta una nuova versione dello standard che comprende tutti gli
emendamenti rilasciati fino a quella data, tale versione è nota come IEEE 802.11-2007.
Gli emendamenti successivi a tale data fanno riferimento a questa versione dello standard.
Tra i nuovi emendamenti che fanno riferimento a 802.11-2007 abbiamo 802.11n e
802.11ac, quest’ultimo identificato dall’acronimo VHT (Very High Throughput) per le
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velocità elevate che può raggiungere. Il gruppo del VHT ha iniziato il suo lavoro nel 2007,
con l’obiettivo di superare la soglia dei 600 Mbps dell’emendamento 802.11n. Il gruppo si
divise in due, una parte si dedicò all’emendamento 802.11ac sulla banda dei 5 GHz,
un’altra parte si dedicò all’emendamento 802.11ad sulla banda dei 60 GHz. Il gruppo
dedicato all’AC, voleva produrre uno standard capace di operare a 1Gbps per stazioni e
500 Mbps verso una singola stazione, con alcune tecniche per superare anche la soglia di 1
Gbps. I primi dispositivi 802.11ac messi in commercio non sfruttano pienamente le
velocità che questo emendamento consente di raggiungere, attualmente raggiungono
throughput di circa 750-1200 Mbps, i prossimi dispositivi, che supporteranno lo standard
consentiranno di raggiungere velocità molto più elevate.
3
Capitolo 2: IEEE 802.11ac
802.11ac è un emendamento approvato nel gennaio 2014, un’evoluzione di 802.11n quindi
include molte tecniche usate da 802.11n, ma con l’aggiunta di nuove caratteristiche. Lo
standard 802.11ac, noto anche come VHT per gli elevati throughput che consente di
raggiungere, presenta una serie di evoluzioni che mirano ad aumentare in maniera
significativa la velocità di trasmissione, la robustezza e l’affidabilità delle reti wireless.
Queste innovazioni riguardano:
•
Evoluzioni radio, quali: banda di frequenza superiore, ampiezza dei canali
ottimizzata, maggior numero di Spatial Streams ed evoluzioni a livello di modulazione;
•
Implementazione della tecnica MU-MIMO (MIMO Multi Utente) che consente a un
unico Access Point di inviare contemporaneamente e sullo stesso spettro di frequenza
frame multiple a multipli client, con beamforming ottimizzato.
802.11ac garantisce velocità superiori a 1 Gbps e offre notevoli vantaggi in termini di
potenza ed efficienza dei collegamenti inoltre garantisce la retrocompatibilità con gli
standard precedenti che operano nella banda dei 5 GHz.
Rispetto allo standard precedente, 802.11ac introduce:
•
Canali più ampi;
•
Una nuova tecnica di modulazione;
•
Beamforming;
•
Maggior numero di Spatial Stream;
•
MU-MIMO.
4
Capitolo 3: LIVELLO FISICO
Vediamo innanzitutto le migliorie apportate dall’emendamento 802.11ac nel livello fisico,
confrontando alcune caratteristiche con l’emendamento 802.11n.
3.1 Banda di frequenza e maggiore ampiezza dei canali
Come detto in precedenza, un problema legato agli standard precedenti a 802.11ac
consiste nel fatto che la banda dei 2.4 GHz è congestionata da molti altri dispositivi, quali
ad esempio forni a microonde e dispositivi bluetooth, ciò provoca un rallentamento della
velocità di connessione per tutti gli utenti della rete wireless.
I dispositivi 802.11ac, per questo motivo, operano solo nella banda dei 5Ghz, aumentando
il data rate ed evitando gran parte delle interferenze che troviamo nella banda dei 2.4GHz.
802.11ac supporta obbligatoriamente canali ampi 20 MHz, 40 MHz e 80 MHz (contro i
canali larghi 20 MHz e 40 MHz dello standard 802.11n) e consente il supporto opzionale
di canali di ampiezza 160 MHz. Canali di ampiezza superiore implicano un flusso
maggiore di dati, i dispositivi 802.11ac raggiungono in questo modo velocità di
trasferimento superiori ad 802.11n.
Il canale di larghezza 160 MHz può essere ottenuto mediante la tecnica del Channel
Bonding, che consente di utilizzare contemporaneamente due canali distinti ma della
stessa ampiezza, in questo caso entrambi ampi 80 MHz, secondo due modalità: i due
canali possono essere contigui oppure non contigui.
Grazie a canali più ampi, è possibile raggiungere data rate più elevati, ma ciò comporta
una riduzione dei canali non sovrapposti nella banda dei 5 GHz. Nella Figura 3.1 sono
rappresentate le ampiezze supportate da 802.11ac:
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Figura 3.1: Ampiezza dei canali in 802.11ac
3.2 Modulazione
Per quanto riguarda la modulazione dei bit da inviare sul mezzo trasmissivo, lo standard
802.11ac supporta obbligatoriamente, per la compatibilità con gli standard precedenti che
operano nella banda dei 5Ghz quali 802.11a e 802.11n, le seguenti modulazioni: OFDM,
BPSK, QPSK, 16-QAM e 64-QAM.
Introduce il supporto opzionale alla tecnica di modulazione 256-QAM, con un
conseguente aumento dei data rate del 33% rispetto ad 802.11n.
Ciò avviene perché la modulazione 256-QAM codifica un numero maggiore di bit per
simbolo, precisamente 8, rispetto ai 6 bit per simbolo codificati utilizzando la modulazione
64-QAM.
Bisogna notare però che, rispetto alla modulazione 64-QAM, la 256-QAM necessita di un
maggior rapporto segnale/rumore (SNR) perché i simboli della costellazione sono più
vicini tra loro e, per questo motivo i simboli trasmessi sono più sensibili al rumore.
Nella Figura 3.2 vengono messe a confronto le costellazioni 64-QAM e 256-QAM:
6
Figura 3.2: Costellazioni 64-QAM (a) e 256-QAM (b)
Dall’immagine è possibile notare quanto sono vicini tra loro i simboli della costellazione
256-QAM rispetto a quelli della costellazione 64-QAM.
Inoltre, con l’emendamento 802.11ac è possibile utilizzare fino a 8 Spatial Streams
rispetto alle 4 dello standard precedente, un numero di Spatial Streams doppio consente di
raddoppiare il data rate di una rete 802.11ac.
3.3 Spatial Streams e MCS
Un’altra differenza con lo standard 802.11n è l’aumento del numero di Spatial Streams
che passano da 4 dello standard precedente ad 8, ciò consente, come anticipato nel
paragrafo precedente, di raddoppiare il data rate di una rete 802.11ac. In particolare,
combinando più Spatial Streams si ottengono velocità superiori ai 6 Gbps per quanto
riguarda l’AP. Nonostante il numero di Spatial Streams sia doppio rispetto ad 802.11n, ne
vengono utilizzate massimo 4 tra AP e una stazione. L’utilizzo di 8 Spatial Streams
avviene sfruttando la tecnologia MU-MIMO (MIMO Multi Utente) in cui un singolo
dispositivo trasmette a più dispositivi contemporaneamente, riservando ad ognuno un
numero massimo di Spatial Streams pari a 4. Ad esempio quando un AP trasmette a due
stazioni contemporaneamente e ad ogni stazione riserva 4 SS. Situazioni di questo tipo
sono molto comuni, basti pensare che a casa un Access Point è connesso a diversi
dispositivi contemporaneamente.
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Inoltre l’emendamento 802.11ac riduce gli intervalli di guardia a 800ns e 400ns per
aumentare ulteriormente il throughput.
Come il suo predecessore 802.11n, anche il nuovo emendamento 802.11ac prevede vari
MCS (Modulation and Coding Schemes) cioè combinazioni tra tipi di modulazione,
coding rate, ampiezza del canale utilizzato. Ogni MCS è caratterizzato da un indice che lo
identifica univocamente, inoltre l’utilizzo di schemi di modulazione che riguardano i data
rate più alti dipende sempre dalle condizioni del canale, in particolare dal rapporto
segnale-rumore (SNR). Nella Tabella 3.1 sono indicati alcuni MCS per una singola Spatial
Stream, con i data rate raggiungibili utilizzando canali di ampiezza di 80 MHz e 160 MHz:
MCS index value
Modulation
Code rate
0
BPSK
2
QPSK
4
16-QAM
7
64-QAM
9
256-QAM
Tabella 3.1: MCS di 802.11ac
3/4
3/4
3/4
5/6
5/6
80 MHz channel
(400 ns guard
interval)
32.5 Mbps
97.5 Mbps
195 Mbps
325 Mbps
433.3 Mbps
160 MHz
channel (400 ns
guard interval)
65 Mbps
195 Mbps
390 Mbps
650 Mbps
866.6 Mbps
3.4 Aggregazione di frame
Anche per 802.11ac la maggior parte del tempo di trasmissione è formato dal tempo di
acquisizione del canale e dal tempo di trasmissione dei primi campi delle frame di livello
fisico trasmesse al data rate più basso supportato. Solo i dati vengono trasmessi ad uno dei
rate di VHT. Quindi sono stati introdotte delle novità per ottimizzare al meglio l’utilizzo
del tempo di trasmissione.
In particolare nuovo emendamento 802.11ac prevede obbligatoriamente l’aggregazione di
frame a livello fisico, cioè ogni frame viene inviata come se fosse una A-MPDU, per
incrementare il throughput. Tutte le MPDU che vengono aggregate devono avere lo stesso
Receiver Address (RA). Ogni MPDU viene incapsulata in una A-MPDU subframe che
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contiene un campo Lenght e un campo per il controllo di errore. Per riscontrare la corretta
ricezione di una A-MPDU viene utilizzato il meccanismo del Block Ack, evitando quindi
la trsmissione di un Ack ad ogni frame.
Poiché sul canale vengono inviate solo frame aggregate, è stato rimosso il tempo RIFS
(Reduced Interframe Space) che era stato introdotto con l’emendamento 802.11n, che
veniva utilizzato per separare trasmissioni di frame consecutive tra uno stesso mittente e
uno stesso destinatario, in quanto queste situazioni non si verificano più.
Per utilizzare al meglio il tempo di trasmissione è stata anche incrementata la dimensione
massima delle A-MPDU, questa viene riportata nel campo A-MPDU Lenght Exponent
costituito da 3 bit, quindi il valore di questo campo varia da 0 a 7 e la lunghezza della
frame aggregata si ricava applicando la seguente formula 213+EXP -1 (dove EXP
rappresenta il valore del campo Lenght Exponent). Dalla formula si vede che la
dimensione di una A-MPDU varia da 8KB fino a 1 MB, rispetto all’emendamento
precedente abbiamo un grande incremento della dimensione massima che in 802.11n era
di appena 64KB.
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Capitolo 4: LIVELLO MAC
Dopo aver analizzato le migliorie dal punto di vista fisico, vediamo ora i cambiamenti
apportati al livello MAC dall’emendamento 802.11ac, facendo anche qualche confronto
con il suo predecessore.
Il tempo di slot e la durata del SIFS sono gli stessi usati da OFDM nella banda dei 5 GHz,
rispettivamente 9 μs e 16 μs. L’emendamento 802.11ac introduce la possibilità di
effettuare trasmissioni utilizzando canali di banda 80 MHz e 160 MHz.
Il RIFS introdotto con 802.11n è stato rimosso da 802.11ac, perché fu ideato per separare
trasmissioni consecutive di un mittente all’interno di una TXOP, ma con l’emendamento
802.11ac le frame vengono trasmesse solo come frame aggregate. Per cui non abbiamo
trasmissioni in cui sia necessario il RIFS.
4.1 Frame al livello MAC
Per quanto riguarda le frame di livello MAC, il formato resta invariato rispetto ad 802.11n,
la dimensione invece è stata aumentata, passando dagli 8000 byte dell’emendamento
precedente, ad 11000 byte.
Per aumentare il throughput ulteriormente e utilizzare in maniera più efficiente il canale,
l’emendamento 802.11n aveva introdotto l’aggregazione di frame al livello MAC.
L’emendamento 802.11ac mantiene questa funzionalità, aumentando la dimensione
massima di una MSDU aggregata. Il vincolo da rispettare per l’aggregazione di frame a
livello MAC è che tutte le frame da aggregare abbiano lo stesso Receiver Address (RA),
possono invece avere diverse coppie di indirizzi Source Address (SA) e Destination
Address (DA). Ogni MSDU viene inserita in una subframe che contiene gli indirizzi SA e
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DA e un campo padding. Nella Figura 4.1 è illustrato il formato di una frame di livello
MAC di 802.11ac.
Figura 4.1: Frame di livello MAC
4.2 Frame di management
Nelle frame di management viene segnalato se una rete supporta 802.11ac e se una
stazione supporta 802.11ac. Ciò avviene tramite il campo VHT Capabilities Information,
che è posto nelle frame Probe Request e Probe Response, ed è illustrato in Figura 4.2.
Figura 4.2: VHT Capabilities Information
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Analizziamo alcuni campi:
-
Single User (SU) Beamformer (1 bit) e Beamformee (1 bit), se settati ad 1, indicano
che il trasmettitore è può operare come SU Beamformer o Beamformee.
-
Multi User (MU) Beamformer (1 bit) e Beamformee (1 bit), se settati ad 1, indicano
che il trasmettitore è può operare come MU Beamformer o Beamformee.
-
Max A-MPDU Length Exponent (3 bit), indica la massima dimensione di A-MPDU
che può essere trasmessa.
-
VHT Link Adaptation capable (2 bit), usati per il feedback sulla qualità del
collegamento, quindi per scegliere l’MCS più adeguato.
-
Rx e Tx Highest Supported Data Rate (13 bit ciascuno), attraverso questi bit vengono
rappresentati i tassi più alti di trasmissione e ricezione supportati. La dimensione è di
13 bit ciascuno perché con questi bit è possibile rappresentare il più alto tasso di
trasmissione di 802.11ac, cioè 8191 Mbps.
4.2 Procedure di accesso al mezzo
L’emendamento 802.11ac non introduce significanti cambiamenti nelle procedure di
accesso al mezzo. Tuttavia con i nuovi canali e le nuove ampiezze di banda, sono state
introdotte nuove regole per determinare se il canale è libero.
Per utilizzare lo spettro in maniera efficiente, 802.11ac aggiunge nuove regole per
consentire ai dispositivi di comunicare il loro consumo di banda, attraverso lo scambio di
frame RTS/CTS.
802.11ac utilizza sempre un protocollo CSMA/CA, tuttavia a differenza degli
emendamenti precedenti, in questa versione un BSSID può cambiare dinamicamente
ampiezza di banda, frame per frame.
Come visto nel livello fisico, i canali più ampi si ottengono mediante la tecnica del
Channel Bonding, che utilizza due canali della stessa ampiezza per “creare” un unico
canale di ampiezza doppia. 802.11ac introduce la terminologia di canale primario e
secondario (o non primario) per distinguere i due canali usati. La capacità di utilizzare
canali più ampi dipende dalla capacità del dispositivo 802.11ac di rilevare trasmissioni
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non solo sul canale primario ma anche su qualsiasi canale secondario usato.
La regola base di accesso al mezzo è di trasmettere quando non c’è nessuna trasmissione
sul canale. Se il canale risulta inattivo, un dispositivo VHT può:
-
Trasmettere una frame a 20 MHz sul proprio canale di 20 MHz, il livello fisico con
CCA (Clear-Channel Assessment) controlla solo se il canale primario da 20 MHz è
libero.
-
Trasmettere una frame a 40 MHz sul canale primario a 40 MHz. Naturalmente, questo
richiede che sia il canale di 20 MHz primario sia quello secondario siano inattivi e
hanno superato il controllo CCA.
-
Trasmettere una frame a 80 MHz sul canale primario a 80 MHz. Naturalmente, questo
richiede che sia il canale di 40 MHz primario sia quello secondario siano inattivi e
hanno superato il controllo CCA.
-
Trasmettere una frame a 160 MHz sul canale a 160 MHz. Naturalmente, questo
richiede che entrambi i canali di 80 MHz siano inattivi e hanno superato il controllo
CCA.
Se uno qualsiasi dei canali necessari non è inattivo, il dispositivo deve segnalare che il
canale è occupato e utilizzare la procedura di backoff di riacquisire il canale. Con la
procedura di backoff, il trasmettitore attendere che il mezzo sia inattivo, attendere un DIFS
(Distributed Interframe Space) e quindi tentare la ritrasmissione. Come parte della
ritrasmissione, il dispositivo selezionerà un numero casuale da utilizzare come numero di
slot all'interno della Contention Window (fase di backoff). Nella maggior parte dei casi, il
"vincitore" di un tentativo di ritrasmissione durante contesa sarà essere la stazione che
seleziona il numero di backoff più basso.
Per segnalare che il canale è occupato, 802.11 ha due metodi: Signal Detection e Energy
Detection. Signal Detection richiede che un ricevitore trovi, agganci, e inizi a decodificare
un segnale 802.11. Il secondo metodo, Energy Detection, guarda solo alla energia grezza
ricevuta nella banda: se è sufficientemente alta, il canale è indicato come occupato.
802.11ac mantiene le stesse regole per la sensibilità CCA per 20 MHz e 40 MHz canali
che sono stati adottati in 802.11n, e aggiunge le regole per i nuovi canali più ampi.
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4.3 Protezione e coesistenza di 802.11ac con i vecchi dispositivi 802.11
Per i progettisti di 802.11ac, garantire la compatibilità con le apparecchiature 802.11
esistenti che utilizzavano la stessa banda di frequenza era un requisito fondamentale nello
sviluppo della nuova specifica. Ma a causa della la natura evolutiva del livello fisico VHT,
non sono necessari nuovi meccanismi di protezione. Il riutilizzo dell’intestazione OFDM
del livello fisico assicura che ogni dispositivo nella banda a 5 GHz sarà in grado di
rilevare e identificare le trasmissioni VHT, quindi di rilevare che il mezzo è occupato.
Utilizzando un preambolo OFDM, un dispositivo 802.11a può ascoltare e decodificare il
preambolo, calcolare l’intervallo di tempo in cui il mezzo sarà occupato, e rinviare la
trasmissione per evitare collisioni.
4.4 Operazioni per banda dinamica (RTS/CTS)
Dalla nascita di 802.11, è stato definito lo scambio di frame Request to Send / Clear to
Send (RTS / CTS) per affrontare il problema dei nodi nascosti. Le frame RTS e CTS sono
utilizzate solo per gestire l'accesso al mezzo, e vengono trasmesse ai tassi più bassi in
modo che possano essere ricevute e codificate da tutte le stazioni. Tutte le stazioni che
ricevono la frame CTS rinviano l'accesso al mezzo per la durata richiesta in CTS, anche se
non sono in grado di ricevere e decodificare la frame di dati, che viene trasmessa ai tassi
previsti da VHT. Per gestire l'accesso a un canale più ampio, viene utilizzato un tipo di
trasmissione chiamato non-HT duplicate frame, un esempio è mostrato in Figura 4.3.
Figura 4.3: Frame duplicate
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Questo tipo di trasmissione consiste nell’inviare dei duplicati delle frame CTS, in modalità
non-HT, decodificabile quindi da tutte le stazioni, su tutti i canali di ampiezza 20 MHz che
il trasmettitore intende utilizzare.
La frame CTS viene trasmessa al rate più basso, cioè quello di 802.11a, sul canale
primario di 20 MHz, la stessa frame viene duplicata e trasmessa su ogni sottocanale di 20
MHz che costituisce il canale di trasmissione. Se ad esempio si vuole utilizzare un canale
di 40 MHz, viene spedita una frame CTS sul canale primario e un duplicato sul canale
secondario. Canali più ampi possono richiedere tre (80 MHz) o addirittura sette (160
MHz) frame CTS duplicate.
4.5 Sicurezza
Con l’emendamento 802.11i del 2004 sono stati introdotti nuovi metodi di cifratura, in
particolare CCMP, che viene utilizzato da 802.11ac, mentre i metodi crittografici deboli
sono stati rimossi. CCMP utilizza l’algoritmo di cifratura AES, di tipo block cipher, a 128
bit. A volte i metodi crittografici vengono sostituiti per ragioni diverse dalla sicurezza,
come problemi di performance. CCMP anche se, teoricamente, non ha limiti sulla velocità
a cui può operare, l’uso della modalità block-chain impedisce la parallelizzazione delle
operazioni sui blocchi, quindi c’è un limite pratico sulla velocità dell’algoritmo, quindi un
problema di performance. Tuttavia, per i data-rate di 802.11ac, la velocità della cifratura
CCMP è sufficiente.
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Capitolo 5: BEAMFORMING
Le antenne di cui sono dotati gli Access Point sono omnidirezionali, cioè irradiano le onde
radio ad una potenza uniforme in tutte le direzioni del piano. Ciò significa che il canale
radio è occupato in ogni direzione. Il beamforming è un metodo di trasmissione che
consente di concentrare l’energia nella direzione del ricevitore.
Il beamforming incrementa le performance di una rete wireless a distanze medie, inoltre a
brevi distanze la potenza del segnale è così alta che è possibile utilizzare i rate più alti di
802.11ac. Per quanto riguarda lunghe distanze, il beamforming non porta un sostanziale
guadagno di potenza. Questo metodo di trasmissione è stato introdotto con l’emendamento
802.11n e migliorato nell’emendamento 802.11ac.
Il dispositivo che trasmette la frame è detto beamformer, quello che la riceve è chiamato
beamformee. Questi nuovi temini sono stati introdotti da 802.11 perché in un singolo
scambio di frame di può avere un solo initiator e un solo responder, ma una stazione può
essere sia beamformer sia beamformee.
Supponiamo che un AP deve iniziare uno scambio di frame con un dispositivo,
innanzitutto l’AP inizierà uno scambio di frame per valutare il canale. Il risultato di questa
valutazione è una derivazione della steering matrix, cioè una descrizione matematica di
come direzionare l’energia di trasmissione fino al ricevitore.
Dopo aver completato la misurazione del canale, l’AP è capace di agire come beamformer
e quindi di inviare frame focalizzandosi nella direzione del dispositivo.
La tecnica del beamforming si può ottenere un guadagno tra i 2 e i 5 dB, tale guadagno si
ottiene per stazioni a brevi e medie distanze, mentre per stazioni lontane non porta nessun
tipo di guadagno.
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Negli emendamenti precedenti ad 802.11n le tecniche di beamforming erano proprietarie,
ciò comportava che due dispositivi di produttori diversi, dovevano accordarsi su un
metodo di beamforming che condividevano. Nell’emendamento 802.11n sono state
descritte varie tecniche di beamforming, ma a causa della complessità di realizzazione,
non sono state implementate.
Innanzitutto con l’emendamento 802.11ac è stata standardizzata una sola tecnica di
beamforming, il channel sounding con Null Data Packet (NDP). Questa tecnica
comprende tre fasi:
-
Il beamformer trasmette una frame NDP Announcement per ottenere il controllo del
canale e identificare i beamformee, questi risponderanno mentre le altre stazioni
attederanno che il canale si liberi.
-
Il beamformer fa seguire al NDP Announcement un NDP, il ricevitore analizza l’NDP
e determina la matrice di feedback e la invia al beamformer.
-
Il beamformer riceve la matrice di feedback e calcola la steering matrix.
Avendo la steering matrix il beamformer può inviare frame in una specifica direzione
come mostrato in Figura 5.1.
Figura 5.1: trasmissione senza beamforming e con beamforming
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Possiamo quindi dire che la chiave del beamforming è la steering matrix Q per il canale tra
il beamformer e il beamformee. Tale matrice potrebbe avere grandi dimensioni perché
rappresenta il comportamento del canale tra il trasmettitore e ogni ricevitore. Anziché
trasmettere una steering matrix, ogni beamformee calcola una matrice di feedback
(feedback matrix) e la comprime in modo da poterla trasmettere mediante una frame più
piccola e quindi ridurre il tempo di trasmissione della stessa.
La procedura di channel sounding ha un costo in termini di tempo di trasmissione, perché
bisogna completare la procedura prima di poter trasmettere. Se il guadagno di velocità di
trasmissione non è abbastanza elevato da compensare il tempo del channel sounding, la
velocità generale risulterà più bassa, portando quindi ad un peggioramento delle
prestazioni della rete wireless.
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Conclusioni
I miglioramenti apportati da questo emendamento, sia a livello fisico che a livello MAC,
hanno consentito di raggiungere elevate velocità per quanto riguarda le reti wireless,
consentendo quindi di utilizzare queste reti per applicazioni che richiedono un throughput
molto alto, come ad esempio lo streaming o la trasmissione/ricezione di file di grandi
dimensioni. Inoltre il passaggio alla banda a 5 GHz consente di evitare interferenze dei
numerosi dispositivi che operano nella banda a 2,4 GHz, in questo modo è possibile usare
tassi di trasmissione elevati, perché avere meno interferenze significa avere un miglior
rapporto segnale-rumore e quindi si ha la possibilità di trasmettere a tassi più elevati.
Non sarebbe possibile raggiungere tassi elevati senza l’ottimizzazione del beamforming e
del MU-MIMO che consentono di sfruttare al meglio la banda di trasmissione anche per
scambi di frame tra un singolo AP e più stazioni contemporaneamente.
Inoltre l’utilizzo di CCMP come sistema di crittografia garantisce sicurezza e riservatezza
delle informazioni che viaggiano all’interno della rete wireless.
19
Bibliografia
[1]
Matthew Gast, 802.11ac: A Survival Guide, O’Reilly Media, 2013.
[2]
Stefano Avallone, Protocolli per reti mobili, McGraw-Hill, 2013.
20