Reti WLAN nella banda dei 60 GHz

Scuola Politecnica e delle Scienze di Base
Corso di Laurea in Ingegneria Informatica
Elaborato finale in Protocolli per Reti Mobili
Reti WLAN nella banda dei 60 GHz
Anno Accademico 2013/14
Candidato:
Antonia Affinito
matr. N46001012
[Dedica]
Indice
Indice .................................................................................................................................................. III
Introduzione ......................................................................................................................................... 5
Capitolo 1: Banda dei 60 GHz ............................................................................................................. 7
1.1 Livello PHY di 802.11ad ........................................................................................................... 9
1.2 Operazione Multibanda ............................................................................................................ 13
Capitolo 2: Architettura in un IEEE 802.11ad ................................................................................... 15
2.1 Livello MAC ............................................................................................................................ 17
2.1.1 Struttura dell’intervallo di beacon..................................................................................... 19
2.2 Aggregazione dei pacchetti .......................................................................................................... 21
Conclusioni ........................................................................................................................................ 24
Bibliografia ........................................................................................................................................ 25
ELENCO DELLE FIGURE
Figura 1:60 GHz nei vari paesi……………………….. Pag.9
Figura 2: Modulation and Coding Scheme..…………….. Pag.10
Figura 3: Struttura generale di un pacchetto 802.11ad…….. Pag.11
Figura 4: Header 802.11ad…………….…………….. Pag.13
Figura 5: PBSS Network…………….. ………………Pag.17
Figura 6: Componenti del livello MAC 802.11ad...……….Pag.18
Figura 7: Struttura dell’intervallo di beacon………………Pag.20
Figura 8: Periodo CBP……………………….……………….Pag.21
Figura 9: Struttura MPDU in 802.11ad…………………..Pag.22
Figura 10: Struttura MPDU con crittografia ….…………...Pag.23
Introduzione
Negli ultimi venti anni si è assistito ad un notevole sviluppo delle reti wireless, che sono
oggetto di continui studi e ricerche.
Le reti WLAN, Wireless Local Area Network, sono reti locali senza fili e adoperate per
offrire connettività a dispositivi mobili con lo scopo di fornire una comunicazione
efficiente e, quindi, simile a quelle delle reti cablate.
Una WLAN è costituita da un canale di comunicazione wireless condiviso capace di
trasferire informazioni tra tutte le stazioni presenti in una determinata area. Le
caratteristiche fondamentali di una rete WLAN sono: semplicità, scalabilità e robustezza
di fronte al frequente verificarsi di errori di trasmissione, dovuti essenzialmente alla natura
senza fili del canale stesso. Infatti tali reti usano un mezzo meno affidabile rispetto a quelli
usati dalle reti cablate. L’accesso a tale mezzo può causare un’alta percentuale di collisioni
e alta variazione di ritardo dei pacchetti. Alcuni ricercatori stanno lavorando con grande
impegno sulla elaborazione di nuove tecniche MAC per un uso più efficiente del canale
wireless.
Le principali tecnologie wireless si basano sulle specifiche del protocollo Institute Of
Electrical and Electronic Engineers (IEEE) 802.11.
Il gruppo di lavoro IEEE 802.11 si è formato nel 1990 con l’obiettivo di specificare il
livello PHY e MAC di reti WLAN, rilasciando il primo standard nel 1997.
Gli obiettivi dello standard 802.11 sono principalmente la descrizione delle funzioni e dei
servizi richiesti per operare in una rete wireless.
Attualmente IEEE 802.11 include una famiglia di standard, cercando di definire una
interoperabilità tra i vari emendamenti 802.11, dove alcuni di essi sono un’estensione di
quelli base. In particolare, in questo lavoro si prenderà in considerazione lo standard
802.11ad.
Infatti nel Gennaio 2009 fu istituito un gruppo di lavoro, TGad, con il compito di
modificare sia lo strato fisico (PHY) che quello di controllo di accesso al mezzo (MAC)
del protocollo 802.11 per raggiungere un throughtput molto elevato (VHT: Very High
Throughtput) nella banda di frequenza 60 GHz e capace di coesistere con le reti attuali 2.4
e 5 GHz mantenendo l’architettura di rete compatibile con i piani di gestione di 802.11.
La richiesta di attivazione del progetto fu approvata nel dicembre 2008 e IEEE ha
rilasciato lo standard 802.11ad nel dicembre 2012. Ma solo di recente è stato imposto
come nuovo standard di comunicazione, a causa delle frequenti incertezze sorte dal
momento in cui è stato istituito il gruppo TGad.
La specifica IEEE 802.11ad presenta alcune importanti caratteristiche per garantire
prestazioni migliori e precisamente una minore complessità e costi ridotti.
Per giunta lo scopo principale di tale protocollo è quello di permettere ai vari dispositivi di
comunicare tra loro ad una elevata velocità.
Tale standard, a livello fisico, prende anche il nome di WiGig, un’organizzazione,
Wireless Gigabit Alliance, “che ha promosso l’adozione della tecnologia di
comunicazione wireless di velocità multi-gigabit che opera sulla banda senza licenza di
frequenza di 60 GHz”.
A differenza degli altri standard, 802.11ad è un modello completamente nuovo, che
permette un trasferimento dati ad una velocità di 7 Gbps in un raggio di circa 10 metri,
ricoprendo così una distanza piuttosto limitata.
Questo protocollo, che offre una tale velocità, non rivoluziona i dispostivi domestici, ma
piuttosto cerca di migliorarne l’efficienza.
Infatti non saranno sostituiti gli attuali network wireless, ma 802.11ad sarà in grado di
coesistere con gli altri standard adottati fino ad oggi per garantire uno scambio più veloce
tra dispositivi appartenenti alla stessa rete.
Il lavoro seguente è stato così articolato:
-
Nel primo capitolo si è posta l’attenzione sulla banda dei 60 GHz con i suoi vantaggi,
sul livello fisico di 802.11ad e su un’operazione multibanda in cui sono considerate tre
tipi di bande, ovvero quella dei 60 Ghz e dei 2,4/5 GHz.
-
Nel secondo capitolo, invece, si è focalizzata l’attenzione sull’architettura di 802.11ad,
in particolare sulla rete PBSS, sul livello MAC con il protocollo beamforming e infine
sull’ aggregazione dei pacchetti con il protocollo GCM per la riservatezza dei dati.
Capitolo 1: Banda dei 60 GHz
Come detto in precedenza, 802.11ad utilizza una banda a 60 GHz, detta anche a onde
millimetriche, con lo scopo di ottenere una trasmissione dati ad alta velocità, maggiore
rispetto a quella delle bande dei 2.4 e 5 GHz.
Tale banda è non licenziata a livello globale, ovvero non necessita di nessun tipo di
autorizzazione per la trasmissione di dati, a differenza delle bande licenziate.
Questa banda di frequenza è di grande interesse perché alloca una grande quantità di
spazio spettrale, 5-7 GHz, per sistemi di comunicazione a corto raggio. Inoltre, la banda
dei 60 GHz presenta alcune caratteristiche di grande importanza come l’alta larghezza di
banda ottenibile el’alta capacità di trasmissione di dati.
Essa è una banda a frequenze molto elevate, quindi un altro vantaggio sono le piccole
lunghezze d’onda (5 mm), che rendono possibile l’uso di antenne compatte e competitive
o array di antenne (ad esempio per la formazione del fascio, beamforming).
Inoltre, poiché la trasmissione avviene tipicamente entro un’area limitata inferiore a 10
metri, un tipico soggiorno o un piccolo ufficio, l’alto grado di attenuazione può essere
visto anche come un ulteriore vantaggio. Sono improbabili le interferenze dovute a
trasmissioni adiacenti, infatti le trasmissioni sono molto difficile da intercettare,
rendendole ancora più sicure.
Lo spettro della banda dei 60 GHz è suddiviso in canali multipli che sono molto più ampi,
in modo da offrire un data rate dell’ordine di alcuni multi-gigabit, consentendo una
comunicazione molto più veloce.
Al momento della pubblicazione dello standard 802.11ad, gli Stati Uniti d’America, il
Canada, l’Unione Europea, il Giappone, la Corea del Sud, l’Australia e la Cina hanno tutti
definito e approvato un’allocazione dello spettro senza licenza nella banda dei 60 GHz.
Figura 1: 60 GHz nei vari paesi
La figura 1 documenta la canalizzazione della banda 57-66 GHz che è emersa dal lavoro
tecnico di sviluppo di IEEE, the Wireless HD Consortium e Wireless Gigabit Alliance.
Le specifiche indicate dal protocollo definiscono quattro canali, ognuno largo 2.16 GHz,
centrati su 58.32 GHz, 60.48GHz, 62.64 GHz e 64.80 GHz rispettivamente.
Come mostra la figura 1, non tutti i canali sono disponibili in tutti i paesi. In particolare, il
canale 2, che è globalmente disponibile, è indicato come il canale di default per dispositivi
funzionanti in questa banda di frequenza.
Per facilitare le funzioni descritte nelle pagine successive, può essere usata la nuova
terminologia, introdotta da IEEE, per identificare le più elevate performance PHY.
I due termini più utilizzati sono:

VHT, abbreviazione di Very High Throughput, è una qualsiasi banda che ha una frequenza
di partenza inferiore a 6 GHz escludendo la banda dei 2.4 GHz.

DMG, abbreviazione di Directional Multi-Gigabit, si riferisce a operazioni in una qualsiasi
banda di frequenza che contiene un canale con una frequenza iniziale sopra ai 4.5 GHz.
Quindi usando questa nuova terminologia viene definito il DMG PHY, che è normalmente
distribuito nella banda dei 60 GHz da 57 GHz a 66 GHz.
1.1
Livello PHY di 802.11ad
Il modello fisico è il livello 1 nel modello ISO/OSI. Usa un mezzo che è
significativamente meno affidabile rispetto a quelli usati nella reti cablate.
In 802.11 il livello fisico è costituito da due sottolivelli:
- PLCP, abbreviazione di Physical Layer Convergence Procedure, che fa da collante tra i
frame passati dal MAC e la trasmissione wireless dei bit.
- PMD, abbreviazione di Physical Medium Dependent, che realizza l’effettiva
trasmissione dei bit.
Anche in 802.11ad c’è questa suddivisione nel livello fisico. In particolare:
-
Il sottolivello DMG PLCP semplifica l’interfaccia di servizio PHY al livello MAC, per
consentire a quest’ultimo di operare con dipendenza minima sul sottolivello PMD.
-
Il sottolivello DMG PMD fornisce un mezzo per inviare e ricevere dati tra due o più
stazioni.
IEEE 802.11ad-2012 DMH PHY supporta tre distinti metodi di modulazione:

Modulazione Spread-Spectrum; definito come Control PHY;

Modulazione Single Carrier; in cui si ha il Single Carrier PHY e il Low-Power SC PHY;

Modulazione Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM); denominato più
semplicemente come OFDM PHY.
Figura 2: Modulation and Coding Scheme
Si hanno diversi schemi di modulazione e codifica che vanno sotto l’acronimo MCS.
Ogni combinazione MCS è identificata da un indice numerico.
Infatti dallo schema precedente, figura 2, si può notare che il Control PHY ha MCS 0.
Single Carrier PHYva da MCS1 a MCS 12, OFDM da MCS13 a MCS 24 ed infine LPSC,
che sta per Low-Power SC PHY, va da MCS25 a MCS31.
La modalità del Control PHY viene utilizzata soprattutto per lo scambio di messaggi di
controllo e segnalazione per stabilire e controllare le connessioni tra i vari dispositivi e
quindi il supporto di tale modalità è obbligatoria. MCS0, infatti, è stata selezionata per
fornire una trasmissione molto robusta capace di sostenere eventuali interferenze del
canale.
Per quanto riguarda il Single Carrier è un metodo di trasmissione più semplice e che
permette di trasmettere il segnale su un’ampia banda di frequenza. I dati vengono criptati,
codificati, modulati e trasmessi blocco per blocco.
Infine, OFDM PHY suddivide un canale ad ampia banda in tanti sotto-canali per effettuare
la trasmissione dei dati, ed infatti è stato attuato per raggiungere un data rate più elevato.
Ognuno di essi ha un diverso scopo e una distinta ma simile struttura dei pacchetti.
Non necessariamente tutte e tre le modulazioni devono essere supportate da ogni
applicazione, ma per garantire l’interoperabilità tra tutti i dispositivi 802.11ad il Control
Phy e il Single Carrier Phy sono obbligatori.
Come si evince dalla figura successiva, figura 3, un pacchetto è costituito essenzialmente
dai seguenti campi: preambolo, header, body, che rappresenta i dati veri e propri, e un
campo opzionale TRN.
Figura 3: Struttura generale di un pacchetto 802.11ad
Per quanto riguarda il preambolo i tre pacchetti condividono una struttura essenzialmente
comune, comprendente due campi: Short Training Field (STF) seguito dal Channel
Estimation Field (CEF).
Il preambolo è seguito da un campo header che contiene informazioni riguardo il resto del
pacchetto. Le informazioni codificate nell’header sono molto simili per i pacchetti Single
Carrier e OFDM, con la differenza che l’header OFDM definisce una coppia di campi
addizionali specifici che sono: il Tone Pairing Type (TPT) e il Dynamic Tone Pairing
(DTP).
Invece l’header del pacchetto Control è una versione abbreviata ma comunque consistente
dell’header standard.
Figura 4: Header 802.11ad
La figura precedente, figura 4, mostra il campo header nelle tre diverse modulazioni:
Control PHY, Single Carrier PHY e OFDM PHY.
Si può notare, come detto in precedenza, la somiglianza dei campi del Single Carrier e
OFDM.
Alcuni campi più significativi sono:

Scrambler Initialization: “Lo scrambler è un sistema che consente la trasmissione e la
ricezione dei dati via radio frequenza in modo digitale e criptato”. Di tale campo sono
allocati 7 bit nel caso del Single Carrier e OFDM e 4 bit per il Control PHY.

MCS, abbreviazione di Modulation and Coding Scheme, è un campo che indica i diversi
schemi di modulazione e di codifica adoperati nella parte di payload del pacchetto.

Lenght: questo campo indica il numero di ottetti dei dati nel payload. Di tale campo sono
allocati 18 bit per Single Carrier e OFDM e 10 bit per Control PHY.

Training Lenght: Questo campo indica la lunghezza del campo opzionale beamforming
training alla fine del pacchetto. Per esso si hanno 5 bit in tutti e tre i tipi di pacchetti.

Packet type: Questo flag indica se il campo opzionale beamforming training è configurato
per trasmettere o ricevere.

Reserved bits: se impostato a zero viene ignorato dal ricevente.

HCS, abbreviazione di Header Checksum: Fornisce un checksum CRC per l’intestazione.
Il CRC è un controllo di ridondanza ciclica più efficace e facile da utilizzare per verificare
l'integrità dei dati.
Dopo il preambolo e l’header c’è il payload, il cui contenuto è un flusso di ottetti. Come
accennato precedentemente, il campo Lenght dell’header quantifica il contenuto utile del
payload.
Prima della codifica, i dati del payload, a seconda della lunghezza scelta, possono essere
propagati in piccola quantità usando “stuffing bits”, così che il processo di codifica
produrrà un certo numero di blocchi. Il bit stuffing consente di inserire bit aggiuntivi ad un
flusso di dati di valore zero che non portano nessun tipo di informazione.
1.2
Operazione Multibanda
In questo paragrafo verrà trattato il trasferimento multibanda, prendendo in considerazione
soprattutto le bande dei 2.4/5GHz e quella dei 60 GHz.
Si può considerare un algoritmo per rilevare rapidamente la presenza delle stazioni peer
sulla banda dei 60 GHz, e quindi evitare inutili sprechi di energia per la scansione o per la
scoperta di tali stazioni quando sono fuori dall’intervallo di comunicazione a 60 GHz.
Si possono considerare quattro possibili scenari di operazioni multi-banda:
1. Scoprire o scansionare una stazione peer quando è raggiungibile nella banda dei
60 GHz. Ad esempio, entrambe le stazioni peer sono nello stesso PBSS. Questo
primo scenario definisce un comportamento desiderato.
2. Usare la banda dei 2.4/5 GHz quando entrambe le stazioni peer sono
raggiungibili nella banda dei 60 GHz. Comportamento indesiderato.
3. Scoprire o scansionare una stazione peer quando essa non è raggiungibile nella
banda dei 60 GHz. Ad esempio, a causa della distanza di separazione.
Comportamento indesiderato.
4. Usare la banda dei 2.4/5 Ghz quando due stazioni peer sono fuori dalla copertura
dei 60 GHz. Comportamento desiderato.
I casi 2 e 3 corrispondono a scenari indesiderati che dovrebbero essere evitati per
migliorare l’esperienza dell’utente con la tecnologia dei 60 GHz.
In particolare, nel caso 2 le stazioni multi-banda usano la banda dei 2.4/5 GHz anche
quando esse sono all’interno della copertura dei 60 GHz, che si traduce in una minore
velocità di trasmissione dei dati.
Nel caso 3, invece, le stazioni multi-banda sondano le stazioni peer nei 60 GHz quando
esse sono al di fuori di tale copertura, portando, quindi, uno spreco notevole di energia.
Data una quantità di dati B, la prevista dispersione di energia può essere espressa come:
𝐸𝑤 = 𝐸𝐷 + 𝐵(𝐸𝑇𝑥−𝑚𝑚 − 𝐸𝑇𝑥−𝑤𝑖𝑓𝑖 )
Dove 𝐸𝐷 rappresenta il dispendio di energia nel sondare o scoprire stazioni peer nella
banda dei 60 GHz.
𝐸𝑇𝑥−𝑚𝑚 e 𝐸𝑇𝑥−𝑤𝑖𝑓𝑖 sono l’energia consumata per unità di dati per il trasferimento degli
stessi usando onde millimetriche (60 GHz) e interfacce 2.4/5 GHz (wifi),
rispettivamente.
Sia 𝐸𝑇𝑥−𝑚𝑚 che 𝐸𝑇𝑥−𝑤𝑖𝑓𝑖 sono costanti, mentre 𝐸𝑊 è in relazione lineare con 𝐸𝐷 .
Quindi l’obiettivo è diminuire 𝐸𝐷 , che è un valore elevato a causa della scoperta o della
scansione di stazioni peer nella banda dei 60 GHz nel caso 1 e 3. Quindi 𝐸𝑊 può essere
ridotta non solo eliminando Ed nel caso 3, ma anche minimizzandolo nel caso 1.
Capitolo 2 :Architettura di un IEEE 802.11ad
In 802.11 un Base Service Set (BSS) è definito come un insieme di stazioni che possono
comunicare tra loro e si trovano nella stessa rete locale. Un BSS di tipo infrastruttura è
costituito da una stazione particolare chiamata Access Point (AP), che tra le principali
funzionalità ha quella di poter comunicare con l’esterno.
Un BSS privo di infrastruttura, invece, è noto come IBSS (Indipendent Base Service Set)
in cui le stazioni possono comunicare direttamente e solamente tra di loro.
L’IBSS consente di effettuare comunicazioni peer-to-peer senza la necessità dell’AP e
quindi potrebbe essere utile per 802.11ad, a differenza del BSS. Ma il fatto che l’accesso
al canale nei 60 GHz è basata su trasmissioni direzionali e che la trasmissione omnidirezionale dell’IBSS non può essere compiuta, lo rende inappropriato per l’uso nei 60
GHz.
Per questo motivo una nuova architettura di rete è stata proposta dal TGad denominata
PBSS, ovvero Personal Base Service Set.
Il PBSS è simile ad un IBSS nel senso che non è presente un particolare dispositivo come
l’AP e le funzioni di rete sono simili a quelle della struttura ad-hoc, definita anche come
un’architettura peer-to-peer.
Tuttavia, al fine di affrontare le sfide di accesso al canale a 60 GHz, migliorare il
risparmio energetico, supportare la QoS, gestire lo spettro, un PBSS definisce una stazione
centrale nella rete come il PCP, ovvero il PBSS Central Point.
Il PCP è l’unico dispositivo in grado di trasmettere frame di beacon, in quanto è tenuto ad
assumere il ruolo di punto centrale.
Figura 5: PBSS Network
La figura 5 mostra un esempio di una rete PBSS e dalla quale si può notare che, a
differenza del IBSS dove ogni stazione può trasmettere un beacon, nel PBSS solo il PCP
può trasmettere beacon. Centralizzare questa funzione al PCP permette un accesso al
canale direzionale notevolmente più gestibile, siccome le stazioni conoscono quando e da
chi aspettarsi frame di beacon e quindi in grado di direzionare le loro antenne nella
direzione giusta e al momento giusto.
Inoltre quando un dispositivo non riesce ad ascoltare alcun frame di beacon all’interno di
un singolo PBSS, un altro dispositivo potrebbe svolgere il ruolo di PCP.
Avendo un PCP in un PBSS si può anche facilitare il supporto QoS, Quality of Service,
dal momento che tale funzione può essere gestita a livello PCP, ciò che non avviene per
l’IBSS a causa della sua natura completamente distribuita.
2.1 Livello MAC
Il livello MAC, abbreviazione di Media Access Control, fa parte del livello datalink nel
modello ISO/OSI, in cui sono presenti sia il sottolivello LLC che MAC.
Esso definisce una serie di funzionalità di controllo dell’accesso al mezzo fisico.
Nel caso di 802.11ad, il livello MAC è caratterizzato sia da un livello Basic MAC, che
tiene conto delle funzionalità di 802.11, che da un Enhanced MAC, in grado di
raggiungere un throughput elevato e di mantenere la coesistenza con gli altri
emendamenti.
La figura successiva, figura 6, evidenzia i componenti di un livello MAC dello standard
802.11ad sopra descritti.
Figura6 : Componenti del livello MAC 802.11ad
Tutte le funzionalità del livello Basic MAC sono basati su 802.11 e su altri standard
disponibili, come 802.11e ed 802.11n. Infatti, 802.11ad supporta precedenti meccanismi di
accesso MAC di 802.11 a/b/g DCF e PCF in aggiunta a quelli di 802.11e HCF e HCCA. Il
livello Enhanced di 802.11ad, invece, include nuove caratteristiche per raggiungere
throughput elevato oltre 1 Gbps, per affrontare una comunicazione direzionale e per
supportare coesistenze con altri standard garantendo QoS e miglioramenti con l’utilizzo
della banda dei 60 GHz.
IEEE 802.11 MAC si basa su trasmissioni omnidirezionali utilizzando vari meccanismi,
ad esempio RTS/CTS o l’invio di beacon, per garantire che i frame possano essere
ascoltati da tutte le stazioni in un BSS. In 802.11ad si hanno, invece, trasmissioni
direzionali dove il rilevamento dei dispositivi è più complicato e anche il CSMA/CA
presenta delle limitazioni per queste comunicazioni. Inoltre i dispositivi hanno l’esigenza
di trovare la migliore direzione per la comunicazione, che necessita di un supporto per un
protocollo beamforming.
Per la presenza di tali problemi vengono introdotti nuovi meccanismi per la
comunicazione direzionale in 802.11ad.
2.2.1 Struttura dell’intervallo di beacon
A causa della natura puramente direzionale delle comunicazioni nella banda dei 60 GHz,
le antenne trasmittenti e riceventi devono essere allineate nella giusta direzione e quindi è
richiesto l’uso del protocollo del beamforming per stabilire il collegamento tra i vari
dispositivi, rendendolo obbligatorio in 802.11ad.
Nel caso di tale emendamento, si hanno fino a quattro antenne trasmittenti e quattro
antenne riceventi e 128 settori.
Il beamforming è una tecnica di elaborazione del segnale per la trasmissione direzionale
del segnale stesso e può essere fatto sul lato trasmettitore, su quello ricevitore o su
entrambi. Il lato trasmettitore spesso richiede un feedback dal lato ricevitore, soprattutto
quando i canali trasmettitore-ricevitore e ricevitore-trasmettitore non sono reciproci.
In una rete PBSS solo il PCP può trasmettere frame di beacon, che contengono molte
informazioni come ad esempio PBSSID, QoS, beacon interval e così via.
La tabella successiva presenta il significato di ogni fase e il corrispondente meccanismo.
Invece, la figura successiva, figura 7, mostra la struttura dell’intervallo di beacon.
Figura 7: Struttura dell’intervallo di beacon
La prima fase è il BTI, abbreviazione di Beacon transmission interval, ovvero l’intervallo
di trasmissione di beacon, dove avviene la scoperta di nuove stazioni. Durante questa fase
il PCP effettua differenti trasmissioni di beacon in una o più direzioni.
La seconda fase è A-BFT/Beamforming, ovvero association beamforming training. Viene
utilizzato per eseguire la formazione del beamforming iniziale tra una stazione e il
PCP/AP.
La tecnica del beamforming impiega alcune antenne direzionali con l’intento di ridurre le
interferenze e per permettere di effettuare una trasmissione dati più veloce su lunghe
distanze.
Durante il processo di beamforming, due dispositivi inviano segnali di comunicazione e
settano le proprie impostazioni dell’antenna in modo da ottenere una migliore qualità delle
antenne direzionali e per ottenere una capacità sufficiente per la trasmissione dei dati
desiderati.
Beamforming è ben appropriato per le comunicazioni a onde millimetriche nella gamma
dei 60GHz in quanto permette di allocare delle antenne riunite in una zona molto piccola,
con l’intento di concentrare maggiore energia in un’unica direzione.
La terza fase è AT, che sta per Announcement Time, che gestisce gli scambi di frame,
richiesta/risposta, di controllo e di gestione tra AP/PCP e la stazione, ad esempio
l’associazione.
Nella quarta ed ultima fase si ha sia il CBP (Contention-Based Period) che SP (Service
Period), che offrono opportunità di trasmissione per quelle stazioni che sono situate in una
determinata area. Qualsiasi scambio di frame può avvenire durante il CBP ed un SP.
Nel caso di CBP l’accesso è basato su una modifica del meccanismo EDCA di 802.11e,
che viene perfezionato per una comunicazione direzionale in 802.11ad. Mentre l’accesso
durante il Service Point è previsto solo per specifiche stazioni.
Il CBP supporta la trasmissione di grandi quantità di dati, garantendo un alto throughput.
Nel periodo di trasmissione di un flusso di dati, viene realizzato uno scambio di
aggregazioni di frame e di aggregazioni di ACK durante il CBP come viene anche
mostrato dalla figura successiva, figura 8.
Figura 8: Periodo CBP
Per migliorare la robustezza delle trasmissioni durante il Service Period, il protocollo
802.11ad ha definito il cosiddetto periodo protetto.
L’inefficienza principale del CSMA/CA del livello MAC di 802.11 è che opera con una
ricezione di tipo omni-direzionale e con una procedura di backoff di tipo casuale. Quindi
tale meccanismo non può essere usato in 802.11ad in cui sono effettuate solo
comunicazioni direzionali.
Per questo motivo 802.11ad definisce un’estensione di CSMA/CA di 802.11 con la
descrizione di un nuovo meccanismo, che permette ad una stazione di conoscere in
anticipo i periodi di tempo in cui essa potrebbe essere attiva e di rilevare quali sono le altre
stazioni a cui il suo modello di antenna potrebbe puntare.
Inoltre, se una stazione possiede un SP può proteggerlo trasmettendo un frame RTS,
request to send, all’inizio del periodo di servizio, con l’intento di riservare il mezzo di
comunicazione.
Quindi, il service period è considerato protetto se un frame CTS, clear to send, è ricevuto
dalla stazione destinazione del SP in risposta ad un frame RTS trasmesso.
2.2 Aggregazione dei pacchetti
802.11ad, come detto in precedenza, è un emendamento il cui obiettivo principale è quello
di raggiungere un throughput molto elevato, con una velocità di trasmissione dei dati di
circa 7Gbps. Ciò è possibile tramite l’aggregazione dei pacchetti e il block
acknowledgement in aggiunta alle antenne direzionali.
Innanzitutto bisogna effettuare una distinzione tra MSDU e MPDU.
La prima sta per MAC Service Data Unit mentre la seconda sta per MAC Protocol Data
Unit e si riferiscono entrambe ad un unico pacchetto di dati, ma MSDU è l’unità di
servizio del livello MAC, ovvero il blocco di dati che dal livello superiore viene passato al
livello MAC. La MPDU è il blocco di dati che il livello MAC passa al livello fisico
sottostante per farlo giungere all’entità corrispondente. MPDU contiene un’intestazione e
un’unità di dati di servizio (MPDU) o payload MAC.
Figura 9: struttura MPDU in 802.11ad
Nella figura precedente, figura 9, viene presentata la struttura MPDU del protocollo
802.11ad descritta in precedenza, dove il campo FCS, che sta per Frame Check Sequence,
viene utilizzato per il riconoscimento di possibili errori di ricezione.
802.11ad utilizza il protocollo Galois/counter mode, che è stato progettato per la
crittografia di dati trasmessi ad una velocità notevole, come nel caso di questo
emendamento.
Il GCMP garantisce la riservatezza, l’autenticazione e l’integrità dei dati. GMC combina
insieme Galois Counter/Mode per la riservatezza dei dati e la GMAC (Galois Message
Authentication Code), disegnato per i cifrari a blocchi a 128 bit, per l’autenticazione e
l’integrità.
GCM richiede una chiave temporale per ogni sessione e anche un valore univoco per
ciascun frame protetto da una data chiave temporale e GCMP usa 96-bit tra cui i 48 bit del
Packet Number (PN). Il riuso di un packet number con la stessa chiave temporale svuota
ogni garanzia di sicurezza. Inoltre GCMP usa un MIC di 128 bit.
Figura 10: Struttura MPDU con crittografia
La trasformazione GCMP espande la dimensione originale della MPDU da 24 ottetti, con
8 ottetti per il campo Header GCMP e 16 ottetti per il campo MIC.
Come si può notare dalla figura 10, il campo GCMP Header è costituito a sua volta da
sottocampi PN e ottetti key ID.
I 48 bit PN sono rappresentati come un array di 6 ottetti, dove PN5 è l’ottetto più
significativo e PN0 è quello meno significativo. Il sottocampo Ext IV, bit 5, degli ottetti
key ID è sempre impostato a 1 per GCMP. I bit 6-7 del key ID sono per il sottocampo Key
ID mentre i restanti bit di tale ottetto sono riservati.
Conclusioni
Concludendo, questo lavoro di tesi si propone come obiettivo quello di presentare il nuovo
emendamento 802.11ad.
In particolare si è posta l’attenzione sulla sua struttura a livello fisico e MAC, sulla banda
dei 60 GHz da esso utilizzata e sulla modalità di comunicazione tra i vari dispositivi.
Come si può notare dalle pagine precedenti, 802.11ad è una vera e propria rivoluzione
nelle reti WLAN, in quanto consente di raggiungere una velocità massima di circa 7 Gbps
nel raggio di 10 metri.
Tale velocità, infatti, non era mai stata raggiunta precedentemente e ciò è possibile solo
grazie all’utilizzo della banda dei 60GHz, le cui frequenze sono molto elevate.
Bibliografia
[1] IEEE 802.11ad: Defining the Next GenerationMulti-Gbps Wi-Fi,EldadPerahia,
Carlos Cordeiro, Minyoung Park, and L. Lily Yang-2010
[2] Large-scale characterization of an underground miningenvironment for the 60 GHz
frequency band,C. Lounis, N. Hakem, G.Y. Delisle, Y. Coulibaly
[3] Green Operation of Multi-Band Wireless LAN in 60 GHz and 2.4/5 GHz , HarkiratSingh,
JulanHsu, LochanVerma_, Scott Seongwook Lee_ and ChiuNgo
[4] 802.11ad – WLAN at 60 GHzA technologyintroduction, whitepaper, Rohde&Schwarz
[5] Wireless LAN at 60 GHz- IEEE 802.11ad Explained, Agilent Technologies
[6] UpcomingWLANs MAC accessmechanisms:an overview,Emna CHARFI, Lamia
CHAARI, Lotfi KAMOUN
[7] PHY/MAC Enhancements and QoSMechanisms for Very High ThroughputWLANs: A
Survey, EmnaCharfi, Lamia Chaari, and LotfiKamoun
[8] http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1211/1211.7356.pdf
[9] http://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/rep/R-REP-M.2227-2011-PDF-E.pdf
[10] Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and PhysicalLayer (PHY)
Specifications, IEEE StandardsAssociation
[11] Wikipedia, WiGig -http://it.wikipedia.org/wiki/Wireless_Gigabit_Alliance
[12] Wikipedia, Scrambler - http://it.wikipedia.org/wiki/Scrambler_(radio)