Studierea Calitatii Serviciilor In Retelele Fara Fir

1 Introducere

Tema aleasă – Tehnologia WiFi: studiul calității serviciului (QoS) folosind mediul de simulare OPNET – O dată cu dezvoltarea sistemelor de calcul mobile,necesitatea utilizării rețelelor de tip wireless a devenit din ce în ce mai stringentă,datorită în mod special,acestui aspect important al rețelelor fără fir și anume mobilitatea utilizatorilor,principiu ce a stat,de altfel,la baza dezvoltării sistemelor wireless.Însă,un mare deficit al acestor rețele îl reprezintă faptul că abilitatea de a suporta servicii în timp real cu cerințe stricte în privința calității oferite ( QoS ) este destul de limitată,aceasta fiind și acum o problemă majoră pentru cercetători.

Cele mai răspândite rețele locale fără fir (WLAN), realizate pe baza familiei de standard IEEE 802.11, sunt cunoscute sub marca Wi-Fi (fidelitate radio).Termenul este de fapt un nume folosit pentru a marca produsele care aparțin unei categorii de dispozitive WLAN. Wi-Fi prevede folosirea mai multor tehnici de modulație radio, dar are la bază acelasi protocol. Varianta cea mai populară este cea care are la bază amendamentele IEEE 802.11b/g. Unul dintre noile amendamente 802.11n (2009) propune o tehnică de modulație multi-flux si tehnologia MIMO, reușind mărirea substanțială a ratei de transmisie. Primul standard din familie larg acceptat în implementarea rețelelor locale fără fir (WLAN) a fost 802.11b, apoi 802.11g si acum 802.11n.

Figura 1-1:Logo-ul Wi-Fi[15]

Wireless LAN, desi este cea mai recentă metodă de conectare, a cunoscut în ultimii ani o crestere fără precedent a popularității. Această popularitate se datorează chiar principalei sale caracteristici: lipsa cablurilor. Calculatorul se afla in retea fără sa aiba nevoie de cabluri sau conectori. Este un vis devenit realitate pentru cei care folosesc PC-uri mobile (laptop-uri sau PDA-uri) și care obțin o libertate totală de mișcare în interiorul ariei acoperite de reteaua wireless.

O infrastructură wireless poate fi realizată astăzi cu cheltuieli mult mai mici decât una tradițională pe cablu. În acest fel, apar premisele realizării accesului ieftin și usor la Internet membrilor comunităților locale, cu toate beneficiile ce rezultă de aici. Accesul la informația globală constituie o sursa de bogăție la scară locală, prin creșterea productivității muncii bazate pe accesul la cvasitotalitatea informațiilor disponibile în lume în legatură cu activitatea prestată. Totodată, rețeaua devine mai valoroasă pe măsură ce tot mai mulți oameni se leagă la ea. Comunitățile legate la Internet au acces la piața mondială unde au loc tot mai multe tranzacții cu viteza rețelei. Chiar și fără accesul la Internet comunitățile legate la rețele wireless se bucură de avantaje – pot colabora la diferite proiecte cu întindere geografică mare folosind comunicații vocale, e-mail–uri și transmisii de date cu costuri foarte mici. În ultima instanță, oamenii înteleg că aceste rețele sunt realizate pentru a intra mai ușor în legătură unii cu alții.

Reteaua wireless are drept componentă principala un echipament care se numeste Punct de Acces,acesta este un releu care emite si receptează unde radio către, respectiv de la dispozitivele din raza sa de actiune. Pe langă cea mai usoara utilizare si cea mai mare flexibilitate, o retea wireless este totodata si cea mai expusă din punct de vedere al vulnerabilității la interceptări neautorizate.

La nivelul fizic, oricine poate sa acceseze o retea wireless. Nu este nevoie sa tai cabluri, pentru ca mediul de propagare al datelor este aerul. Din fericire, nu este suficient în general să ai acces la nivelul fizic pentru a obține si accesul efectiv la rețea, deoarece producătorii echipamentelor de comunicații au conceput modalităti de criptare a informațiilor, care sa le facă inaccesibile intrușilor. Securitatea rețelelor wireless este un punct de discuție foarte aprins, deoarece din motive de necunoștință a utilizatorilor sau de neprofesionalism al administratorilor, ori pentru a permite conectarea usoară, aceste caracteristici de protecție nu sunt întotdeauna activate.[11]

Figura urmatoare prezintă regasirea standardului WiFi într-o așezare globală a standardelor wireless :

Figura 1-2: Standarde Wireless

Odată cu dezvoltarea rapidă a rețelelor wireless locale ( WLAN) , capacitatea acestor rețele de a suporta servicii în timp real cu cerințe stricte în privința calității oferite ( QoS ) a venit în prim-plan . În această lucrare,vom studia calitatea serviciilor în rețelele locale fără fir,evaluând capacitatea de suport QoS în standardul IEEE 802.11e ,care reprezintă,de fapt, îmbunătățirea Controlului Accesului la Mediu ( MAC ) pentru calitatea serviciului în standardul IEEE 802.11.

Pe langă aplicațiile existente cum ar fi E-mail-ul,transferul de fișiere (ftp) , accesare web și navigare , WLAN-urile sunt de așteptat să suporte și aplicații care necesită transmisie audio / video (streaming) , HDTV,etc.Acestea din urmă sunt aplicații sensibile la întârzieri și necesită astfel limite în privința acestei întârzieri si a ratei de transfer, acest lucru conducând la o nevoie urgentă pentru asigurarea calității serviciului(QoS) în WLAN-uri.

IEEE 802.11 este cel mai popular standard pentru rețele wireless LAN , dar nu are capabilități de a oferi QoS. Recent , un nou standard ,IEEE 802.11e , a fost propus pentru furnizarea calității serviciului în rețelele WLAN.

Amendamentul ratificat IEEE 802.11e va servi ca punct de referintă pentru traficul sensibil la timpul de servire,precum voce și video, și va deveni o componentă majoră a multor sisteme de divertisment. Pe viitor , standardul 802.11e poate asuma un rol mai important în divertismentul mobil cu tendința de creștere a dispozitivelor portabile echipate cu conectivitate WiFi , cum ar fi iPod-urile și smartphone-urile.

Lucrarea este structurată în trei părți principale:

Prima parte, „Noțiuni teoretice: Standardul 802.11” , reprezintă o vedere generală asupra tehnologiei 802.11. În aces capitol sunt prezentate premisele inițiale, originile aparției acestei tehnologii. Capitolul continuă cu anumite caracteristici de bază ale rețelelor 802.11, tiputile de rețele, operații și servicii. De asemenea, sunt descrise și caracteristicele generale ale nivelului fizic și ale subnivelului MAC (Medium Access Control) specifice tehnologiei WiFi.

A doua parte , În acest capitol, ,, Studierea Calității serviciului (QoS) în rețelele fără fir”, este prezentată o imagine de ansamblu a caracteristicilor standardului IEEE 802.11e ,care oferă calitate serviciilor(QoS), în rețele locale fără fir (WLAN). De asemenea,scoatem în evidență îmbunătățirile aduse Controlului Accesului la Mediu (MAC) descoperite în specificațiile standardului 802.11e, prin accentuarea diferențelor dintre acesta și standardul classic 802.11. Noi mecanisme de sprijin pentru oferirea calității serviciilor,numite Funcția de Coordonare Distribuită si Îmbunătățită (EDCF) și,respectiv,Funcția de Coordonare Hibridă (HCF), definite în standardul 802.11e ,sunt evaluate in acest capitol.

+++

2 Notiuni teoretice: Standardul IEEE 802.11

2.1 Istoric

Standardul IEEE 802.11 a fost introdus în 1990 și finalizat în 1997 pentru a acoperi rețelele care asigură conexiunile fără fir între stații fixe, portabile și în mișcare pe arie locală. Standardul prevede rate de 1Mb/s și opțional 2 Mb/s pe raze de 250-300 m. Majoritatea produselor WLAN pot fi interconectate cu rețele standard de tipul IEEE802.3 (Ethernet) sau IEEE802.5 (token-ring).[1]

Comitetul pentru Standardizare 802 al IEEE a elaborate seriile de standarde denumite IEEE 802.x3, care inițial cuprindeau rețele locale (LAN) și metropolitane (MAN), iar acum includ și rețele personale (PAN precum BluetoothTM, Zigbee etc.). Specificațiile IEEE 802 sunt structurate pe cele două straturi inferioare ale modelului TCP/IP, deoarece acestea cuprind atât componentele fizice cât și pe cele ale legăturii de date. Toate rețelele 802 au în componența lor atât planul fizic, Physical Layer (PHY), cât și sublayer-ul MAC. MAC reprezintă un set de reguli care stabilește modul de acces la mediu și modul de trimitere a datelor, în timp ce detaliile de transmisie și recepție sunt oferite de PHY.

Comitetul este împărțit în Grupuri de Lucru (Working Groups) numerotate de la 802.1 la 802.23. Fiecare grup de lucru studiază diferite subiecte legate de rețelele de transmisiune de date și dezvoltă standarde care sunt apoi denumite cu codul grupului care le-a produs. Primele două grupuri 802.1 (securitatea, managementul rețelei) și 802.2 (Controlul Logic al Legăturii) se ocupă de standarde care se aplică atât rețelelor cu fir cât și la cele fără fir. Grupul de lucru 802.11 creează standarde pentru rețelele locale fără fir (WLAN), 802.15 pentru rețelele personale (PAN) fără fir, iar 802.16 pentru rețele metropolitanefără fir. Grupurile de lucru sunt împărțite, mai departe, în Grupuri de Acțiune(Task Groups), notate de la “a” la “z” care studiază diverse completări și îmbunătățiri care pot fi aduse standardelor. Unele dintre completări sunt considerate opționale de către IEEE si este posibil să nu devină un standard acceptat de industrie. [scribd]

Figura 2-1 arată relația dintre diferitele componente ale familiei 802 și locul lor în modelul TCP/IP.

Figura 2-1: Familia 802

Primul standard pentru rețele Ethernet fără fir, IEEE 802.11, a fost adoptat în1997 și îmbunătățit în 1999. El specifică trei tehnologii diferite pentru stratul fizic (PHY):

infraroșu difuz – la viteza de 1Mbps,

spectru împrăstiat cu salturi în frecvență (FHSS)

spectru împrăstiat tip secvență directă (DSSS).

Ultimele două tehnologii ofereau viteze de până la 2 Mbps lucrând în banda de 2,4 GHz (ISM). Din cauză că rețelele cu fir de la acea dată permiteau viteze de până la 10 Mbps la costuri mult mai mici, standardul inițial a avut un succes limitat. [1]

2.2 Caracteristici generale ale rețelelor IEEE 802.11

2.2.1 Standarde curente

După anul 1999 standardul inițial a evoluat în două direcții:

Grupul de acțiune 802.11b a creat specificația cu același nume care necesită o rată de transmisie de până la 11 Mbps (comparabilă deci cu rețelele tradiționale) și care menține compatibilitatea cu standardul inițial; lucrează în aceeași gamă de frecvențe de lucru, 2,4 GHz, și constituie o extensie directă a tehnicii de modulație DSSS. Pentru a atinge o viteză maximă de 11 Mbps 802.11b încorporează o schemă de codare mai eficientă bazată pe coduri complementare (CCK Complementary Code Keying). A fost concepută și o a doua schemă de codare, Codare Convoluțională Binară în Pachete (PBCC-Packet Binary Convolutional Code), ca o opțiune pentru performanțe mai ridicate (22 Mbps), deoarece ea asigură un câstig de 3 dB la codare.

Grupul de acțiune 802.11a s-a constituit în timpul dezvoltării 802.11b și care a făcut publice rezultatele în aceeași perioadă cu acesta; El a vizat o bandă de frecvențe diferită, cea de 5,2 GHz (U-NII), obținând viteze de transfer de până la 54 Mbps. Spre deosebire de 802.11b, care folosește modulație cu o singură frecvență purtătoare, 802.11a folosește tehnica de modulație OFDM. Specificația 802.11a impune folosirea unui cod corector de erori, rezultând astfel o rată de transmisie utilă în jurul a 20Mbit/s. Deoarece se utilizează spectrul radio din jurul frecvenței de 5 GHz, 802.11a nu este compatibil cu 802.11b sau cu standardul inițial 802.11.

Pe piață, primele au apărut produsele bazate pe standardul 802.11b (la începutul anului 2000), și au fost în scurt timp acceptate ca un standard industrial, beneficiind de un preț substanțial redus față de produsele anterioare. Deși aceste dispozitive pot fi afectate de interferențe dacă sunt plasate înapropierea altor echipamente care folosesc banda nelicențiată de 2,4 GHz (cuptoare cu microunde, echipamente Bluetooth, telefoane fără fir, etc.), costul redus, raza de acoperire bună si accesibilitatea benzii de frecvențe oriunde în lume a dus la o răspândire rapidă.

Produsele bazate pe specificația 802.11a au apărut aproape doi ani mai târziu pe piață, si deși beneficiau de avantaje clare precum: viteză mult mai mare de transmisie și mult mai puține probleme cu interferențele, ele au reusit să se impună numai parțial, pe piața rețelelor fără fir destinate utilizatorilor de tip “business”. Costul ridicat al implementării unei rețele fără fir pe frecvența de 5 GHz a fost un factor hotărâtor. La creșterea prețului a contribuit și faptul căodată cu cresterea frecvenței purtătoare scade raza de acoperire deoarece creșteatenuarea semnalului la trecerea prin ziduri sau obiecte solide (lungimea de undă fiind mai mică). Astfel, uneori era nevoie de mai multe puncte de acces pentru a asigura o acoperire echivalentă cu cea corespunzătoare specificației 802.11b.

De regulă, la viteze mici 802.11b asigură o acoperire mai bună, în timp cela viteze mai mari 802.11a asigură o rază de acoperire echivalentă sau usor superioară (banda reglementată de 5 GHz este afectată de mult mai puține interferențe).

Aceste două direcții de evoluție au suportat la rândul lor completări și îmbunătățiri, în 2003 fiind ratificate două noi standarde de transmisiune fără fir: 802.11g și 802.11h. Primul este o extensie a specificației 802.11b, iar al doilea o extensie a specificației 802.11a.

802.11g combină avantajele specificațiilor 802.11a și 802.11b; Folosind tehnica de modulație (OFDM) de la 802.11a se obține o rată de transfer de pânăla 54 Mbps (exclusiv codurile corectoare de erori). Echipamentele lucrează în gama de frecvențe de 2,4 GHz și realizează o acoperire mai mare decât cele produse conform specificațiilor 802.11b. Costul dispozitivelor este mai mic decât în cazul 802.11a si, datorită noilor tehnologii, a fost doar ușor crescut față de echipamentele bazate pe standardul 802.11b.

Activitatea grupului 802.11h a marcat începutul implementării tehnologiilor radio-cognitive în echipamentele Wi-Fi. Punctul de plecare pentru noile specificații a vizat compatibilizarea rețelelor Wi-Fi cu unele reglementări europene și japoneze referitoare la banda de 5 GHz în care apar o serie deprobleme din punctul de vedere al interferențelor cu sateliții sau radarele militare care folosesc aceeași bandă.

Problema asigurării unei anumite calități a serviciilor și a unei securități sporite pentru transmisiilor Wi-Fi a fost pusă înainte de ratificarea 802.11g și h. Inițial, ambele sarcini au revenit Grupului de Acțiune 802.11e. Ulterior însă, din cauza presiunii crescânde pentru rezolvarea aspectelor legate de securitate sarcina aceasta a fost delegată unui nou Grup de Acțiune – 802.11i.

Extensia 802.11i a fost ratificată în 2004, permițând tuturor utilizatorilor de rețele fără fir să se bucure de mobilitatea și flexibilitatea oferită de tehnologia Wi-Fi, cu garanția unei protecții de înalt nivel a datelor transmise față de utilizarea neautorizată.

În aceste condiții obiectivul grupului 802.11e a rămas acela de a face în asa fel încât standardul 802.11 să suporte atât aplicații din mediul de afaceri cât și din mediul utilizatorilor obisnuiți, mai ales aplicații de tip multimedia. Astfel, el a fost mandatat să modifice Controlul Accesului la Mediu (MAC) specific 802.11, în scopul extinderii suportului pentru aplicațiile care implică cerințe de calitate a serviciilor.

Cel mai nou standard intrat în familia comunicațiilor locale fără fir este802.11n – construit pentru a îmbunătăți standardele anterioare în domeniul ratei de transmisiune realizabile – ajungând la mai mult de 100Mbps. Pentru aceasta se utilizează echipamente MIMO, precum și alte mecanisme.

În loc de un singur standard (IEEE 802.11b), există un întreg alfabet de variante wireless din care utilizatorii pot alege. 802.11a, 802.11b, 802.11g si 802.11h concureaza pentru preferința userului, ca tehnologii de baza,cu 802.11n asteptând la rând. Iar 802.11c, 802.11d, 802.11e, 802.11f si 802.11i adaugă încă puțină culoare acestui amestec.[1]

Figura 2-2: IEEE 802.11

2.2.2 Lista standardelor și amendamentelor existente în cadrul Grupului de

Lucru IEEE 802.11 al Asociației de Standardizare IEEE

IEEE 802.11 (1997) – Standardul WLAN inițial, cu rate de 1 Mbit/s si 2Mbit/s, folosind radio-frecvența de 2,4 GHz și standardul infrarosu;

IEEE 802.11a (1999) – WLAN cu rata 54 Mbit/s, pe frecvența 5 GHz;

IEEE 802.11b (1999) – Îmbunătățiri aduse la stratul fizic al 802.11 pentru a se realiza rate de 5,5 și 11 Mbit/s;

IEEE 802.11c (2001) – Proceduri de operare a legăturilor cu alte conexiuni, incluse ulterior în standardul IEEE 802.1d;

IEEE 802.11d (2001) – Se convine la strat internațional asupra reglementărilor pentru folosirea spectrului RF în rețelele Wi-Fi;

IEEE 802.11e (2005) – Se definesc mecanisme pentru serviciile de asigurarea a calității (QoS), inclusiv „packet bursting”;

IEEE 802.11f (2003, RETRAS în 2006) – Se definesc practici recomandate pentru Protocolul de comunicare dintre Punctele de Acces, în scopul interoperabilității Punctelor de Acces fabricate de producători diferiți, de-alungul unui sistem de distribuție bazat pe rețele fără fir;

IEEE 802.11g (2003) – Permite obținerea de rate de transfer de până la 54Mbit/s în banda de 2,4 GHz fiind, în același timp, compatibil cu 802.11b;

IEEE 802.11h (2003) – Se introduce administrarea spectrului în banda de 5GHz, pentru a face 802.11a compatibil cu unele reglementări naționale cuprivire la protecția unor benzi folosite de radare sau sateliți; inițial a fost conceput pentru Europa dar acum se aplică pentru multe alte țări;

IEEE 802.11i (2004) – Se aduc îmbunătățiri în securitatea și în procedurile de autentificare corespunzătoare rețelelor bazate pe standardele 802.1;

IEEE 802.11j (2004) – Se aduc îmbunătățiri comunicațiilor în banda de 5GHz pentru a fi compatibile cu reglementările japoneze;

IEEE 802.11-2007 (iulie 2007) – Aceasta este o ediție a standardului 802.11,care include amendamentele a, b, d, e, g, h, i și j;

IEEE 802.11k (2008) – Se aduc îmbunătățiri aduse tehnicilor de măsurare a resurselor radio;

IEEE 802.11l – Acest cod este sărit pentru a se evita confundarea cu 802.11i;

IEEE 802.11m – termenul se referă la întreținerea documentației familiei 802.11 dar și la versiunea care tratează întreținerea echipamentelor

IEEE 802.11n (2010) – Se asigură creșterea ratei de transmisie a datelorpeste 100Mbps folosind echipamentele cu tehnologia MIMO;

IEEE 802.11o – Acest cod este sărit pentru a evita confuzia care poate apăreacu 802.110;

IEEE 802.11p (2010) – Această versiune tratează accesul vehiculelor(ambulanțe, turisme) la rețelele fără fir (WAVE);

IEEE 802.11r (2008) – Oferă suport pentru mobilitatea dispozitivelor wireless asigurând transferul (handover) rapid și insesizabil la trecerea de lao stație de bază la alta

IEEE 802.11s (2010) – Se defineste ESS pentru rețelele tip „plasă” (meshnetworks);

IEEE 802.11T (ANULAT) – Propunea metode de test și metrică pentruPredicția Performanțelor Comunicațiilor Fără Fir (WPP);

IEEE 802.11u (2010) – Se urmărește asigurarea compatibilității cu celelalterețele fără fir (celulare, orice alte forme);

IEEE 802.11v (2010) – Managementul rețelelor fără fir și configurarea echipamentelor;

IEEE 802.11w (2009) – Îmbunătățirea Securității Cadrelor de ManagementProtejate;

IEEE 802.11x – nume generic pentru familia 802.11;

IEEE 802.11y (2008) – Definește parametrii pentru a se permite operarea în banda de 3650- 3700 MHz, în S.U.A.;

IEEE 802.11z (2010) – Definește extensii cu referire la Conectarea prin Legătură Directă (DLS);

IEEE 802.11aa (2011) – Propune transmiterea unor fluxuri (stream) robust pentru transmisiuni Audio-Video;

IEEE 802.11mb (2010) – Mentenanța standardului. Va deveni probabil 802.11-2010.

IEEE 802.11ac (2012) – Se urmărește realizarea de rate de transmisie foarte ridicate pentru benzile cu frecvențe mai mici de 6 GHz;

IEEE 802.11ad (2012) – Se urmărește realizarea de rate de transmisie extreme de ridicate pentru gama de 60GHz. [1]

2.2.3 Arhitectura WLAN. Componentele rețelei

Rețelele 802.11 sunt alcătuite din 4 mari componente fizice:

Figura 2-3: Componentele rețelei 802.11

Stațiile (STA)

Pentru a transfera date între stații sunt construite rețelele. Stațiile sunt mașini de calcul cu interfețe de rețea fără fir. Exemple de stații sunt laptop-urile, PDA-urile, telefoanele mobile si orice alte dispozitive electronice cu capabilitati IEEE 802.11. Însă nu există nici un motiv pentru care stațiile să fie portabile. În unele medii, rețeaua fără fir este folosită pentru a evita tragerea de noi cabluri și desktop-urile sunt conectate prin LAN-uri fără fir.

Puncte de acces (Access point )

Într-o rețea 802.11 cadrele trebuie să fie convertite într-un format specific de cadru pentru a fi livrate către alte retele. Echipamentele numite “access point” formează o punte între rețelele fără fir și cele cu fir. Fiecare echipament dintr-orețea fără fir include un transceiver radio.“ Access point”-urile efectuează o serie de alte funcții, dar “bridging”-ul este printre cele mai importante.

Sistemul de distribuție

În cazul în care mai multe puncte de acces (Access Point-AP) sunt distribuite și conectate astfel încât să formeze o zonă densă de acoperire, acestea trebuie să comunice între ele astfel încât să monitorizeze mișcarea stațiilor mobile. Sistemul de distribuție este componenta logică a rețelei 802.11 și este folosită pentru transmiterea cadrelor către destinație. Protocolul 802.11 nu menționează nicio tehnologie specifică pentru sistemul de distribuție. În practică, sistemul de distribuție este reprezentat prin rețeaua “backbone”, utilizată pentru a lega cadrele între AP-uri.

Mediu wireless

Standardul utilizează un mediu fără fir pentru a transmite cadrele de la o stație la alta. Sunt definite mai multe straturi fizice diferite; arhitectura permite dezvoltarea mai multor straturi fizice care să susțină MAC-ul tehnologiei 802.11. Inițial au fost standardizate două straturi fizice de frecvențe radio (RF) și un strat fizic de infraroșu , dar straturile RF s-au dovedit mult mai populare.

2.2.4 Tipuri de rețele

Setul de Serviciu de Bază (Basic Service Set-BSS) este blocul fundamantal în arhitectura standardului 802.11 și care reprezintă un grup de stații care comunică una cu cealaltă. Acesta reprezintă un grup de stații care lucrează conform uneia dintre funcțiile de coordonare:

Distributed Coordination Function (DCF) este similară organizării din rețelele de comutare de pachete și este destinată transferului asincron de date;

Point coordination Function (PCF) se bazează pe interogări controlate de punctul de acces (AP) și care este destinată transmisiunilor sensibile la întârzieri; Comunicațiile au loc într-un domeniu oarecum difuz, numit zonă de servicii de bază, definit de caracteristicile de propagare ale unui mediu fără fir.

Aria geografică acoperită de BSS este numită Basic Service Area (BSA) și este analogică unei celule din comunicațiile celulare. Toate stațiile dintr-o BSS pot comunica direct cu oricare alte stații din BSS. Totuși, fadingul și interferențele care pot apărea între BSS vecine care utilizează aceeași parametrii pentru nivelul fizic (frecvență și cod deîmprăștiere) pot face ca anumite stații să apară ascunse pentrucelelalte stații.

Conform standardului 802.11 se disting două tipuri de rețele:

rețele peer to peer (modul ad-hoc)

rețele Client/Server (infrastructurale)

2.2.4.1 Rețea Peer-to-peer (modul ad-hoc)

O rețea peer to peer este o grupare a stațiilor într-un singur BSS cu scopul comunicării inter-rețele fără ajutorul unei rețele infrastructurale. Orice stație poate stabili o sesiune de comunicație directă cu altă stație fără a fi necesară direcționarea traficului printr-un punct de acces (AP) centralizat.

Când două sau mai multe stații formează o rețea ad-hoc, aceasta este denumită Set de Serviciu de Bază Independent (IBSS). De obicei, IBSS-urile sunt formate dintr-un număr mic de stații configurate pentru un anumit scop și pentru o scurtă perioadă de timp. O utilizare uzuală este de a crea o rețea tmporară, pentru a asigura o singură întâlnire într-o sală de conferințe. Astfel, dupa începerea ședinței, participanții creează un IBSS pentru a distribui datele. Când ședința se încheie, IBSS-ul este dizolvat. Datorită existenței lor de scurtă durată, a dimensiunilor mici și a scopului concentrat, IBSS-urile sunt denumite uneori BSS-uri ad-hoc sau rețele ad-hoc.

Figura 2-4 prezintă trei dispozitive care comunică între ele într-un mod peer-to-peer, fără nici o infrastructură fără fir sau conexiuni cablate:

Figura 2-4: Rețea Peer-to-peer (modul ad-hoc)[2]

Cum diversele versiuni IEEE 802.11 continuă să crească în popularitate, multe alte tipuri de dispozitive ar putea fi, de asemenea, stații cum ar fi scanere, imprimante, camere digitale. Figura 2-4 prezintă un IBSS care include un telefon mobil, laptop, și un PDA comunicând prin intermediul tehnologiei IEEE 802.11. Cercul din Figura 2-4 reprezintă gama semnalului dispozitivelor, ceea ce este important de luat în considerare, deoarece aceasta determină aria de acoperire în care stațiile pot rămâne în comunicare.

Unul dintre avantajele retelelor WLAN ad-hoc este acela ca teoretic pot fi create oriunde și oricând, permițând astfel multor utilizatori să beneficieze de conexiune wireless rapidă, ieftină și cu un nivel minim de întreținere hardware. În practică sunt posibile diferite tipuri de rețele ad-hoc, iar specificațiile IEEE 802.11 permite multe dintre ele. O rețea ad-hoc poate fi creată cu diverse scopuri, cum ar fi sprijinirea activităților de file sharing între două dispozitive client. Cu toate acestea, dispozitivele client care funcționează exclusiv în modul ad-hoc nu pot comunica cu rețelele wireless externe. Un alt dezavantaj este faptul că o rețea ad-hoc poate interfera cu un AP care există în același spațiu wireless (care funcționează modul de rețea de infrastructură).

2.2.4.2 Rețea Client/Server (modul infrastructură)

Această configurație constă în multiple stații conectate la un punct de acces (AP), care se comportă ca o punte către o rețea cu fir. Un BSS în această configurație este referit ca lucrând în modul infrastructură.

AP-urile sunt utilizate pentru toate comunicațiile în rețelele de infrastructură, inclusiv comunicarea între nodurile mobile din același domeniu de servicii. Dacă o stație mobilă dintr-un BSS de infrastructură are nevoie să comunice cu o altă stație mobilă, comunicarea se realizează în doi pasi. Mai întâi stația mobilă inițiatoare transferă cadrul la AP. Apoi AP-ul transferă cadrul la stația de destinație.

Într-o rețea de infrastructură, stațiile trebuie să se asocieze cu un AP pentru a obține servicii de rețea. Asocierea reprezintă un proces prin care stația mobilă se conectează la o rețea 802.11. Acesta nu este un proces simetric. Stațiile mobile initiază întotdeauna procesul de asociere, iar AP-urile pot alege daca acordă sau refuză accesul, pe baza conținutului cererii de asociere. Asocierile sunt de asemenea exclusive în ce privește stația mobilă: o stație mobilă poate fi asociată cu un singur AP. Standardul 802.11 nu impune nicio limită privind numărul de stații mobile care pot fi servite de un AP. Considerațiile din faza de implementare pot însă face aceste limitări. În practică, însă, datorită “throughput”-ului relativ scăzut al rețelelor fără fir, este mult mai probabil, să se limiteze numărul de stații plasate într-o rețea fără fir.

Un AP din cadrul unui set de servicii de bază (BSS) conectează stațiile cu sistemul de distributie (DS). Sistemul de distributie este mediul prin care statiile pot comunica cu rețelele LAN și cu rețele externe, cum ar fi Internetul.Un tip de rețea de infastructură este reprezentat în Figura 2-5 de către 2 BSS conectate la un DS:

Figura 2-5: Modul infrastructură[2]

BSS-urile pot crea acoperire în mici birouri și locuințe, dar acestea nu pot oferi acoperire unor arii mai mari. Un Set de Serviciu Extins (SSE-ESS)se constituie atunci când mai multe seturi de bază suprapuse (fiecare conținând un AP) sunt conectate împreună printr-un sistem de distribuție (de obicei – un LAN Ethernet cu fir). Seturile ale căror raze de acoperire se suprapun trebuie să transmită pe canale diferite pentrua evita interferențele.

Stațiile din cadrul aceluiași ESS pot comunica unele cu altele, chiar dacă aceste statii pot fi în arii de servicii de bază diferite și pot chiar circula între arii de servicii de bază. Pentru ca stațiile dintr-un ESS să comunice una cu cealaltat, mediul fără fir trebuie să acționeze ca o singură legatură de nivel 2. AP-urile acționează ca punți de legătură, astfel încât o comunicare directă între stații într-un ESS impune ca și rețeaua “backbone” să fie o legătură de nivel 2. Orice nivel de legătură este suficient. Mai multe AP-uri dintr-o singură suprafață pot fi conectate la un singur hub sau switch, sau pot folosi LAN-uri virtuale dacă conexiunea trebuie să acopere o zona mare.

Figura 2-6 prezintă conceptual o rețea hibrida (cu capabilitati atat wireless cat si cu fir), similar cu ceea ce ar fi, în general, utilizata într-un mediu de întreprindere. Acesta arată trei AP-uri cu BSS corespunzătoare, care sunt cuprinse intr-un ESS. ESS este atașat la rețeaua de întreprinderecu fir sau DS, care, la rândul său, este conectat la Internet și la alte rețele externe. Această arhitectură ar putea permite diverselor statii, cum ar fi laptop-uri și PDA-uri, de a accesa resurse de rețea și Internet. În plus, utilizarea unui ESS oferă posibilitatea statiilor IEEE 802.11 WLAN pentru a face roaming între AP-uri menținând în același timp conectivitatea cu rețeaua.

Figura 2-6: Set de Serviciu Extins (ESS)[2]

Sistemul de distribuție

Prin conectarea AP-urilor sistemul de distribuție oferă mobilitate. În cazul în care un cadru ajunge la sistemul de distribuție, acesta este livrat AP-ului corespunzător și AP-ul il livrează către destinația dorită.

Sistemul de distribuție este responsabil cu monitorizarea locației fizice a unei stații și furnizarea corespunzătoare a cadrelor. În cazul în care un cadru este trimis la o stație mobilă, sistemul de distribuție are sarcina de a-l livra către AP-ul care deservește stația mobilă.

Pentru a avea o imagine de ansamblu a întregului sistem de distribuție, trebuie să luăm în considerare și AP-urile. Cele mai multe AP-uri de pe piață funcționează ca punți de legătură. Acestea au cel puțin o interfață de rețea fără fir și cel puțin o interfață de rețea Ethernet. Partea Ethernet poate fi conectată la o rețea existentă și partea fără fir devine o prelungire a acestei rețele. Transmiterea cadrelor între cele două medii de rețea este controlată de un motor de legatura.

Figura 2-4 ilustrează relația dintre AP, rețeaua “backbone” și sistemul de distribuție. AP-ul are două interfețe conectate printr-un motor de legatură. Săgețile indică traseele posibile spre și de la motorul de legatură. Cadrele pot fi trimise rețelei fără fir de către punte;oricare cadru trimis de pe portul fără fir al punții este transmis tuturor stațiilor asociate. Fiecare stație asociată poate transmite cadre AP-ului. În cele din urmă, portul “backbone”  de pe punte poate interacționa direct cu rețeaua “backbone”. Sistem de distribuție din figura 2-7 este compus din “motor punte”si rețea “backbone” cu fir.

Figura 2-7: Sistemul de distribuție în implementarea 802.11 AP

Fiecare cadru trimis de o stație mobilă într-o rețea de infrastructură trebuie să utilizeze sistemul de distribuție. Este ușor de înțeles de ce interacțiunea cu gazdele în rețeaua “backbone” trebuie să utilizeze sistemul de distribuție. La urma urmelor, ele sunt conectate la mediul sistemului de distribuție. Stațiile fără fir într-o rețea de infrastructură depind de sistemul de distribuție pentru a comunica una cu cealaltă pentru că nu sunt conectate direct una la cealaltă. Singura modalitate de a trimite un cadru de la stația A la stația B este să transmită cadrul prin puntea din AP. Cu toate acestea, podul este o componentă a sistemului de distribuție. În timp ce exact ceea ce poate părea ca o preocupare tehnică a sistemului de distribuție, există câteva caracteristici ale MAC-ului 802.11, care sunt strâns legate de interacțiunea cu sistemul de distribuție.

2.2.4 Servicii de rețea

Pentru a defini o tehnologie de rețea trebui sa definim serviciile pe care le oferă și sa permitem distribuitorilor de echipamente să pună în aplicare aceste servicii. Pentru standardul 802.11 se stabilesc doua categorii de servicii, ambele fiind realizate de subrtartul MAC:

Serviciul de statie (SS)

Serviciul de sistem de distributie (DSS)

Doar trei dintre servicii sunt utilizate pentru transmiterea de date, restul sunt operațiuni de gestionare care permit rețelei să țină evidența nodurilor mobile și să transmită cadrele corepunzător. În tabelul 2-1 este menționat setul complet de servicii oferit în cazulstandardului 802.11.

Tabel 2-1: Servicii suportate de substratul MAC 802.11

Autentificarea și dezautentificarea

Sunt servicii realizate de stații. Reprezintă o componentă a securității pe care o realizează rețelele de acces pentru prevenirea accesului neautorizat. Serviciul este funcțional atât pentru rețelele care oferă ESS cât și pentru cele care oferă IBSS. Dacă nu se realizează un nivel acceptabil de autentificare, nu se poate realiza asocierea pentru comunicație.Punctele atașate la rețea sunt limitate, adesea la arii de birou în spatele dispozitivelor de control de acces. Echipamentele de rețea pot fi securizate în dulapuri de cablare si “jack”-urile de date în birouri și pot fi conectate la rețea numai când e necesar. Rețelele fără fir nu pot oferi același nivel de securitate fizică, si, prin urmare, trebuie să depindă de rutine de autentificare suplimentare pentru a se asigura că utilizatorii care accesează rețeaua sunt autorizați să facă acest lucru.

Intimitatea

Este un serviciu realizat de stație. Pentru a se asigura secretul comunicației, se folosește capacitatea de a se cripta conținutul mesajelor, fiind un serviciu oferit de stație. Trebuie menționat că, fără invocarea serviciului de secretizare, mesajele sunt transmise în mod necriptat. În această situație, mesajele de date necriptate, recepționate la o stație configurată pentru criptare ca și mesajele de date criptate, recepționate la o stație care nu folosește criptarea sunt eliminate la LLC fără nici o altă indicație, nefiind astfel transmise către utilizator.

Livrarea MSDU-ului

Rețelele nu sunt de mare folos fără capacitatea de a obține date de către beneficiar. Stațiile furnizează livrarea de servicii MAC Service Data Unit(MSDU), care sunt responsabile pentru obținerea de date la final.

Asocierea, reasocierea și dezasocierea

Sunt servicii realizate de sistemul de distribuție. Pentru livrarea unui mesaj este necesar să se cunoască perechea formată de AP și stație. Informația corespunzătoare este oferită către DS prin folosirea noțiunii de asociere, și este suficientă și pentru realizarea de mobilitate fără tranziție. Stațiile neasociate nu sunt vizibile "în rețea"(cum ar fi stațiile de lucru necablate la Ethernet). Când stațiile invocă serviciul de dezasociere, orice date mobile stocate în sistemul de distribuție sunt eliminate. Odată ce dezasocierea este completă, este ca și cum stația nu mai e atașată la rețea. Dezasocierea este o sarcină care se face în timpul procesului de închidere a stației. MAC-ul este însă conceput sa acomodeze statiile care părăsesc rețeaua fără dezasociere formală.

Distribuția
Acest serviciu este folosit de către stațiile mobile dintr-o retea de infrastructură de fiecare dată când trimit date. Odată ce un cadru a fost acceptat de către un AP, se folosește serviciul de distribuție pentru a furniza cadrul până la destinație. Orice comunicare care utilizează un AP, traversează serviciul de distribuție (inclusiv comunicațiile între două stații mobile asociate cu același AP).

Integrarea
Integrarea este un serviciu oferit de sistemul de distribuție; acesta permite conectarea sistemului de distribuție la o rețea non-IEEE 802.11 . Funcția de integrare este specifică sistemului de distribuție utilizat și, prin urmare, nu este specificată de 802.11, exceptând serviciile pe care trebuie să le ofere.

Substratul M AC al rețelelor Wi-Fi oferă trei tipuri de servicii:

Transmisii asincrone de date

Servicii de securitate

Ordonarea MSDU

Serviciul de transmisii asincrone de date, ce poate fi efectuat de toate stațiile, oferă perechilor de entități LLC capacitatea de a schimba între ele MSDU. Pentru a transporta unitățile MSDU între entitățile pereche LLC este necesar ca MAC local să folosească stratul fizic, PHY. Principiul folosit la transportul MSDU asincron este cel al celui mai bun efort, fără a se oferi garanții în ceea ce privește livrarea cu succes a MSDU.

Serviciile de securitate oferite sunt realizate prin intermediul serviciului de autentificare și al protocolului de criptare radio, WEP. Serviciile de securitate oferite sunt:

Confidențialitatea;

Autentificarea;

Controlul accesului, în combinație cu managementul stratului.

Ordonarea MSDU permite substratului MAC să realizeze reordonarea pachetelor MSDU. Aceasta nu se realizează decât dacă este necesară îmbunătățirea probabilității livrării cu succes a pachetelor. Efectul reordonării MSDU constă în modificarea ordinii de livrare a MSDU-urilor radiodifuzate sau transmise prin multicast față de MSDU-urile transmise în mod direct, de la o singură sursă. Ordonarea este folosită doar dacă protocolurile straturilor superioare care folosesc serviciul asincron acceptă reordonarea.

Entitatea de management a substratului M AC realizează o serie de servicii și anume:

Sincronizarea;

Managementul puterii;

Asocierea și dezasocierea;

Autentificarea și criptarea.

2.3 Nivelul fizic al rețelelor fără fir (PHY)

Prin reprezentarea protocolului pe staturi este permisa cercetarea, experimentarea, și îmbunătățirea diferitelor părți ale stivei de protocol. Una din componentele importante ale arhitecturii 802.11este nivelul fizic, care este adesea abreviat PHY. Acest subcapitol descrie problemele comune pentru toate nivelele fizice bazate pe radioși introduce temele și tehnicile comune care apar în fiecare strat fizic bazat pe radio. Apoi este urmat de mai multe explicații detaliate ale fiecarui nivel fizic care sunt standardizate pentru 802.11. Funcțiunile stratului fizic se referă la crearea canalelor radio care să permita realizarea transmisiunilor de date între nodurile rețelei WLAN.

2.3.1 Arhitectura nivelului fizic

Nivelul fizic se compune din doua subnivele:

subnivelul protocolului de convergență a nivelului fizic (PLCP – Physical layer convergence protocol)

subnivelul dependent de mediul fizic (PMD – Physical medium dependent).

Figura 2-8: Arhitectura logică a nivelului fizic

Subnivelul PLCP-ul (face legătura între cadrele MAC-ului și transmisiunile radio în aer și, în plus, adaugă propriul antet. În mod normal, cadrele includ un preambul pentru a ajuta la sincronizarea transmisiilor sosite. Cu toate acestea cerințele preambulului pot depinde de metoda de modulație, de aceea PLCP-ul adaugă propriul antet la orice cadru transmis. PMD-ul este responsabil cu transmiterea în aer (folosind antena) a oricăror biți recepționați de la PLCP . Nivelul fizic încorporează de asemenea o funcție de evaluare completă a canalului (Clear Channel Assessment- CCA) care indică MAC-ului când se detectează semnal.

Subnivelul PLCP este o interfata catre subnivelul MAC, iar subnivelul PMD este echipat cu interfata de transmisiune si de receptie in mediul radio.Subnivelul PLCP indeplineste functia de adaptare a capabilitatilor subnivelului PMD la serviciul pe care trebuie sa-l ofere nivelul fizic. El defineste o metoda de includere a unitatilor de date ale protocolului MAC (MPDU) intr-un format de cadru adecvat pentru transmiterea si receptia datelor de utilizator si a informatiei de administrare, intre doua sau mai multe statii, utilizând subnivelul PMD. Existenta subnivelului PLCP face ca subnivelul MAC sa functioneze cu o dependenta minima de subnivelul PMD. Modulul pentru administrarea statiei realizeaza functiuni de administrare a nivelului fizic si a subnivelului MAC.

2.3.2 Legătura radioîn standardul 802.11

Specificațiile standardului IEEE 802.11, care a fost publicat în1977, prevăd trei variante de implementare pentru nivelul fizic:

folosind spectru împrăștiat cu salt de frecvență (FHSS-Frequency Hopping Spread Spectrum),

folosind spectru împrăștiat cu secventa directă (DSSS- Direct Sequence Spread Spectrum)

folosind radiații în infraroșu (IR).

În 1999 au fost dezvoltate încă două nivele fizice bazate pe tehnologie radio:

802.11a : PHY cu multiplexare ortogonală cu diviziune în frecvență (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM)

802.11 b :PHY cu secvență directă cu rată mare (High-Rate Direct Sequence – HR/DS sau HR/DSSS)

2.3.2.1 Spectru împrăștiat cu salt de frecvență (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectru)

Metoda numitã Frequency Division Spread Spectrum sau Frequency hopping constã în împãrtirea spectrului în diferite frecvențe sau canale. Urmând aceastã metodã mesajul continut într-un singur pachet este transmis pe un anumit canal, apoi dispozitivul radio selecteazã un alt canal – proces numit salt sau hopping către o altă frecventă – pentru a transmite următorul pachet, și procesul se repetă în același mod până se transmite întregul mesaj, prin aceasta efectuându-se o împrăștiere a mesajului pe întregul spectru disponibil.

Sistemele cu salt în frecvență sar de la o frecvență la alta într-o ordine aleatoare și transmit subcanalelor un burst scurt. Sistemele care au la bază FH-SS utilizează banda ISM (Industrial, Scientific and Medical band) de 2,4GHz. In SUA sunt specificate maxim 79 de canale pentru salturi de frecvență.

Primul canal are frecvența centrală de 2,402 GHz iar celelalte canale sunt distanțate cu 1 MHz. Sunt precizate trei seturi de secvențe de salt cu câte 26 de secvențe peset. Aceasta permite coexistența mai multor BSS în aceeași zonă geografică ceea ce poate fi important pentru evitarea congestiilor și pentru maximizarea transferului de date în BSS.

Motivul pentru care sunt trei seturi diferite constă în evitarea perioadelor prelungite cu coliziuni între secvențele de salt dintr-un set. Rata minimă pentru saltul de frecvență este de 2,5 salturi/s. Pentru rata de transfer de 1 Mb/s se utilizează modulația binară cu deplasarea frecvenței GFSK (two-level Gaussian frequency shiftkeying) unde 1 se codează cu Fc+f, iar 0 se codează cu Fc-f.

Pentru creșterea ratei la 2 Mb/s se utilizează o modulație pe patrunivele GFSK prin codarea simultană a doi biți utilizându-se 4 frecvențe.

2.3.2.2 Spectru împrastiat cu secventa directă (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum)

Sistemele cu secvență directă împraștie puterea peste o bandă mai largă de frecvențe prin utilizarea unor funcții matematice de codare. Sunt specificate două nivele cu secvență directă : PHY 2Mbps și PHY 802.11b- HR/DSSS .

Sistemele care folosesc DS-SS lucrează de asemenea banda ISM de 2,4 GHz. În acest caz pentru transmisiunile cu viteza de bază de 1Mb/s se folosește modulație diferențială binară cu comutarea fazei (DBPSK). Pentru viteze de 2 Mb/s se folosește modulație diferențială în cuadratură cu comutarea fazei (DQPSK).

Imprăștierea este realizată prin împărțirea benzii disponibile în 11 subcanale, fiecare cu lățimea benzii de 11 MHz. Se folosește o secvență de împrăștiere 11 biți/simbol și rezultă o capacitate maximă a canalului de 1 Mb/s.

In cazul unor BSS adiacente sau suprapuse trebuie asigurată o separare între frecvențele centrale pentru BSS diferite de 30 MHz. Această condiție conduce la posibilitatea ca numai două BSS să fie adiacente sau suprapuse fără interferențe.Aceste sisteme necesită numai omologarea modelului de către administrația radio a țării unde se instalează. Au dezavantajul că au statut de utilizator secundar, cu alte cuvinte pot exista și alți utilizatori în aceiași bandă.

Modulația cu secvență directă a fost cea mai de succes tehnică de modulație folosită de protocolul 802.11. Specificațiile inițiale 802.11 descriu nivelul fizic ca fiind bazat pe viteza mică și spectru împraștiat cu secvență directă (DS sau DSSS). Echipamentele cu secvență directă au putere mai mare pentru a obține același « throughput« decât sistemele cu salt în frecvență. Interfețele cu secvență directă de 2Mbps vor descărca puterea bateriei mai repede decât intefețele cu salt în frecvență de 2Mbps. Avantajul real al transmisiunilor cu secvență directă este acela că această tehnică este mai usor de adaptat la rate de date mai mari decât rețelele cu salt în frecvență.  

2.3.2.3 Radiații în infraroșu (IR)

Sistemele care folosesc în infraroșu (IR – Infrared) lucrează cu lungimi de undă între 850 și 950 nm. Aceste sisteme se utilizează în interiorul clădirilor și operează cu transmisiune nedirecțională. Stațiile pot recepționa transmisiuni în vizibilitate directă sau reflectate, prin urmare distantele de transmisiune sunt mici, corespunzătoare unei camere (semnalele IR nu pot trece prin ziduri).

Pentru viteza de acces de bază de 1 Mb/s se folosește tehnica de modulație 16-PPM (Pulse Position Modulation).Pentru 2 Mb/s se utilizează 4-PPM. Aceasta metodă de transmisiune n-a prezentat interes pentru fabricanții de produse WLAN.

Exemple:

Photonics Collaborative / Cooperative

IBM

2.3.2.4 Multiplexarea ortogonală cu divizare de frecvență (OFDM)

Standardul IEEE 802.11a prevede utilizarea metodei OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), modularea purtătorilor fiind, în funcție de debit, BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK (Quaternary PSK), 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) si 64-QAM.

Este o metodă de transmisie bazată pe ideea multiplexarii cu divizare în frecvență (FDM). În cazul FDM, mai multe semnale sunt transmise în același timp dar pe frecvențe diferite. Aceasta este întalnită la transmisiile radio unde fiecare stație face broadcast într-o anumită bandă de frecvență sau canal.

În OFDM, un singur transmițător emite pe mai multe frecvențe ortogonale (independente). Tehnologia OFDM cuplată cu o metodă de modulație avansată, folosită pe fiecare componentă, conduce la obținerea unui semnal care prezintă o rezistență ridicată la interferențe.

Caracteristici:

O purtătoare de semnal OFDM este o sumă de sub-purtatoare ortogonale, cu banda de baza, pe fiecare sub-purtatoare modulată independent, de obicei prin utilizarea unei modulații cuadratura în amplitudine (QAM) sau modulație cu salt în fază (PSK). Acest semnal compozit în banda de bază, este de obicei folosit pentru a modula o purtatoare RF.

Avantaje OFDM:

Eficiența mare a spectrului

Rezistența la interferentă multicale (în particular întalnita la transmisiile wireless)

Înlăturare usoară a zgomotului (daca un șir de frecvențe suferă interferențe, purtătoarele din acel șir, pot fi anulate sau pot fi încetinite)

Dezavantaje OFDM:

Imperfecțiunile de sincronizare în frecvență pot conduce la pierderi în ortogonalitate între subpurtătoare, rezultând degradări de performanță

Posibilitatea de apariție a intermodulației între subpurtătoare

Tehnica multiplexarii cu diviziune în frecvență evită suprapunerea spectrală a canalelor multiplexate, pentru a elimina interferența între canale, având însa, drept consecință, o eficiență spectrală scazută. Pentru a îmbunatății eficiența spectrală, în tehnica multiplexării cu diviziune în frecvență ortogonală (OFDM) canalele multiplexate se suprapun în frecvență (Figura 2-9) dar impunând ca aceste canale sa fie distanțate în frecvență cu un ecart egal numeric cu viteza de semnalizare, să evite interferența între canale.[11]

Figura 2-9: Tehnica multiplexarii cu diviziune in frecventă[11]

a ) clasica

b ) ortogonala

OFDM împarte un canal în mai multe subcanale și codează în paralel o poțiune din semnal peste fiecare subcanal. Tehnica este similară cu tehnica multi-tonul discret (Discret Multi-Tone- DMT) folosită de modemurile DSL. 802.11a specifică PHY OFDM.

Principalii parametrii ai semnalului OFDM sunt listați în tabelul de mai jos.

Tabel 2-2: IEEE 802.11a/g: parametrii semnalului OFDM[1]

Nivelul fizic OFDM organizează spectrul în canale operaționale. Fiecare canal 20MHz este compus din 52 de subpurtătoare. Patru dintre ele sunt folosite ca purtătoare pilot pentru monitorizarea schimbărilor de cale și ICI, și celelalte 46 de subpurtătoare sunt utilizate pentru a transmite date. Subpurtătoarele sunt spațiate la 0.3125MHz. Așa cum se vede în Figura 2-10, canalele sunt numerotate de la -26 la 26, subpurtătoarea 0 nu este utilizată din cauze de procesare de semnal.

Figura 2-10: Structura unui canal OFDM

2.4 Subnivelul MAC (Medium Acces Control)

Standardele IEEE 802.x specifică numai cele două straturi de la baza modelului OSI. Mai mult, IEEE a divizat Stratul Legăturii de Date în două substraturi: Controlul Logic al Conexiunii (LLC) si ControlulAccesului la Mediu (MAC).

Prin standardul 802.2 IEEE a definit substratul de Control Logic al Legăturii (LLC), substrat care este folosit de toate celelalte standarde elaborate de Comitetul 802. Așadar toate aceste standarde 802.11 se referă numai la Controlul accesului la Mediu (MAC) și la Stratul Fizic(PHY) (Figura 2-11).

Figura 2-11: Divizarea stratului legătură de date (Link Layer) conform IEEE[1]

Subnivelul MAC este responsabil pentru:

procedurile de alocare a canalului

adresarea unitatilor de date de protocol (PDU)

formarea cadrelor, controlul erorilor

fragmentarea si reasamblarea.[1]

2.4.1 Controlul accesului la mediu

Deoarece într-o rețea 802.11 avem un mediu partajat între mai mulți emițători, este necesar să avem un mecanism de control al accesului la mediu. Metoda de control al accesului la mediu în IEEE 802.11 se numește Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA -acces multiplu cu detectarea semnalului purtător și evitarea coliziunilor).

În principal, strategia de control al accesului la mediu se bazează pe detectarea coliziunilor și repetarea pachetelor ce au suferit coliziuni, adică aceeași strategie ca și pentru Ethernet-ul pe cablu coaxial.

Datorită condiților specifice rețelelor fără fir, sunt aduse câteva modificări. În principal, la transmisia radio nu există o delimitare comună între zonele de acțiune pentru diverse stații din aceeași celulă: este posibil ca o stație B să recepționeze bine transmisia stației A, stația C să recepționeze transmisia lui B, dar stația C să nu recepționeze transmisia lui A. Într-un astfel de caz, dacă A și C transmit simultan, pachetele emise se ciocnesc la B, dar deoarece nici una din stațiile A și C nu recepționează transmisia celeilalte ele nu au cum să detecteze coliziunea.

În rețelele IEEE 802.11, o stație care dorește să trimită un pachet va trimite întâi un pachet de control, numit Request To Send (RTS – cerere de transmisie), în care specifică destinatarul și durata de timp necesară transmiterii pachetului. Dacă destinatarul a primit pachetul RTS și este liber, va trimite înapoi un pachet de control Clear To Send (CTS –accept transmisia). La primirea pachetului CTS, emițătorul trimite pachetul de date.

O stație care recepționeazăun pachet CTS destinat altei stații nu are voie să trimita nimic pe durata rezervată de pachetul CTS, pentru a nu interfera cu transmisia acceptată prin acel CTS. Această restricție trebuie respectată și în cazul recepției unui pachet CTS destinat altei rețele din aceeași zonă (adică purtând un BSS-ID diferit).

Utilizarea pachetelor RTS și CTS nu este obligatorie. Pentru pachetele mici este preferabilă trimiterea direct a pachetului de date și repetarea acestuia în cazul unei coliziuni. Pentru pachetele de broadcast, utilizarea RTS și CTS este imposibilă; ca urmare un pachet de broadcast este trimis direct.

Pentru controlul accesului stațiilor la mediul de transmisiune subnivelul MAC oferă doua tipuri de servicii, unul cu dispută, celălalt fără dispută, realizate fiecare prin intermediul unei funcții de coordonare :

funcția de coordonare distribuită (DCF – Distributed coordination function)

funcția de coordonare punctuală (PCF – Point coordonation function).

Mediul de transmisiune poate opera în doua moduri:

modul concurențial CP (Contention Period), când statiile își dispută accesul la canal pentru fiecare pachet transmis, sau

modul neconcurențial CFP(Contention Free Period), când utilizarea mediului este controlată de AP.[11]

Figura 2-12: Arhitectura MAC

2.4.2 Funcția de coordonare distribuită (DCF)

Metoda de bază pentru controlul accesului este DCF, care implementează un protocol CSMA/CA (Carrier sense multiple access with collision avoidance – Acces multiplu cu detecția purtătoarei și evitarea coliziunilor), cu revenire dupa o lege binară exponențială (binary exponential backoff). Această metodă trebuie implementată în toate tipurile de stații, din IBSS sau din rețeaua de infrastructură.

O stație care are de transmis cadre MAC trebuie să asculte mai întâi mediul de transmisiune. Daca mediul este liber poate transmite. Algoritmul distribuit CSMA/CA impune însă un interval minim, specificat, liber între secventele de cadre succesive, așa încât stația transmițătoare trebuie să se asigure ca mediul de transmisiune este liber pentru acest interval de timp înainte de a încerca să transmită. Dacă mediul de transmisiune este ocupat, stația va amâna încercarea de a transmite pâna când mediul devine liber. Dupa ce mediul devine liber sau înainte de a încerca să transmită imediat dupa o transmisiune reușită, stația trebuie să aleagă un interval de revenire aleator și trebuie să decrementeze contorul intervalului de revenire în timp ce mediul este liber.

Detecția purtătoarei este făcută:

fizic, la interfața radio (physical carrier sensing)

logic, la subnivelul MAC (virtual carrier sensing).

Detecția fizică a purtătoarei se face detectând prezența altorutilizatori WLAN prin analiza tuturor pachetelor detectate și prindetecția activității în canal observând puterea relativă a semnalului ce poate proveni de la alte surse.

Detecția virtuală a purtătoarei se face prin transmiterea unei informații cu privire la durata MPDU în antetul RTS (request tosend), CTS (clear to send) și în cadrele de date.MPDU este o unitate completă de date transmisă desubnivelul MAC nivelului fizic.

Această informație reprezintă timpul (în microsecunde) cât canalulva fi utilizat pentru transmiterea cu succes a datelor sau cadrelor demanagement, începând de la sfârșitul cadrului curent.

Intervale între cadre

Mecanismul CSMA/CA impune un interval liber (pauză) între transmisiunile de cadre succesive. O stație care utilizează DCF trebuie să respecte doua reguli de acces la mediul de transmisiune:

Stația va putea transmite numai dacă mecanismul ei de percepere a purtatorului determină ca mediul a fost liber pentru cel putin un interval de timp numit DIFS (Distributed InterFrame Space – Spațiu între cadre distribuit)

Pentru a reduce probabilitatea de coliziune cu alte stații care accesează mediul, stația va selecta un interval de revenire (backoff) cu care amâna încercarea de transmisiune, după ce mediul a fost găsit ocupat sau înainte de a încerca să transmită un alt cadru după o transmisiune reusită.

O caracteristică importantă a subnivelului MAC IEEE 802.11 este aceea ca recepția reusită a unui cadru este confirmată printr-un cadru ACK, așa încât o stație va considera transmisiunea unui cadru ca fiind reusită numai dupa ce primește cadrul ACK. Dacă nu primește cadrul ACK într-un interval de timp limitat transmițătorul va încerca să retransmită cadrul. [11]

Figura 2-13 prezintă situații posibile la încercarea de transmitere a unui cadru. Cadrele recepționate eronat sunt marcate cu linii încrucisate.

Figura 2-13: Transmiterea cadrelor prin DCF

a)reusita ;

b) retransmisie datorita eronarii cadrului ACK;

c) retransmisie datorita receptiei eronate a cadrului.

Intervalul între cadre scurt (SIFS – Short InterFrame Space), mai mic decât DIFS, este intervalul de timp între recepția unui cadru de date și transmisia cadrului ACK corespunzător (Figura 2-13 a). Utilizarea acestei pauze mici în schimbul de cadre previne ca alte stații care asteaptă un interval de timp mai mare (DIFS) dupa eliberarea mediului de transmisiune să încerce să transmită, asigurând prioritate pentru încheierea schimbului de cadre în desfasurare.

Dacă un cadru de confirmare este recepționat eronat (cu un CRC incorect), transmițătorul va încerca retransmiterea cadrului de date dupa un timp EIFS (Extended InterFrame Space– Figura 2-13 b).

Dacă nu se recepționează cadrul de confirmare într-un anumit interval de timp (Timeout ACK) se va încerca retransmiterea cadrului (Figura 2-13 c). [11]

2.4.3 Funcția de coordonare punctuală (PCF)

Este o metodă de acces optională, utilizabilă numai în rețeaua de infrastructură, care folosește un coordonator punctual (PC – Point coordinator), localizat în punctele de acces ale BSS, pentru a determina care stație are dreptul de a transmite. Coordonatorul punctual controlează transmiterea cadrelor prin metoda polling (interogare), asigurând astfel eliminarea disputelor. Este utilizat un mecanism virtual de percepție a purtătorului și un mecanism de prioritate pentru acces.

PCF distribuie informația necesară pentru funcționare prin intermediul unui cadru specific de management (cadrul Beacon – far, baliză). PCF se repetă după un interval stabilit de un parametru, CFP-Rate.Toate transmisiunile de cadre prin PCF utilizează intervale între cadre mai mici decât cele din transmisiunile DCF, asigurând în felul acesta prioritate de acces pentru traficul PCF în raport cu stațiile din BSS functionând cu metoda de acces DCF.

DCF și PCF trebuie să coexiste concurential în același BSS. Dacă un coordonator punctual exista într-un BSS, cele doua metode trebuie să alterneze. Funcția de coordonare punctuală cuantizează timpul cu supercadre. (Figura 2-14)[1]

Figura 2-14: Coexiestenta PCF si DCF

2.4.4 Fragmentarea și defragmentarea cadrelor la subnivelul MAC

Fragmentarea este procesul de divizare a unităților de date ale serviciului MAC (MSDU – MAC service data unit) sau ale protocolului de management MAC (MMPDU – MAC management protocol data unit), efectuat cu scopul de a mari probabilitatea de transmisiune reusită a MSDU sau MMPDU în cazurile în care starea canalului limitează siguranța recepției pentru cadrele mai lungi. Procesul de recombinare a unităților de date ale protocolului MAC (MPDU – MAC protocol data unit) într-un MSDU sau MMPDU se numește defragmentare.

Fragmentarea și defragmentarea se realizează în fiecare transmițător, respectiv receptor. Fiecare fragment este transmis independent și confirmat separat. Fragmentarea se realizează dacă lungimea cadrului MSDU sau a cadrului MMPDU este mai mare decât un anumit prag, dar numai cadrele cu destinație individuală sunt fragmentate, cele care au o destinație de grup și cadrele de difuzie nu pot fi fragmentate.

Primul avantaj al acestui mecanism este că, în cazul unei erori, nodul trebuie să retransmită un pachet mic (fragmentul), deci se câștigă în rapiditate. Al doilea avantaj este că, în cazul mediilor foarte zgomotoase, un pachet mai mic are o șansă mai mare de a se strecura fără erori ceea ce crește șanseletransmisiei corecte de date în condiții nefavorabile. [11]

Un exemplu de fragmentare este prezentat în figura urmatoare :

Figura 2-15: Fragmentarea pachetelor lungi

2.4.5 Structura cadrului MAC și modul de adresare

Standardul IEEE 802.11. specifică trei tipuri principale de cadre:

cadre de date

cadre de control

cadre de management.

Informația utilă este transmisă prin intermediul cadrelor de date. Cadrele de control oferă mecanisme pentru controlul transmisiilor (RTS, CTS, ACK). Cadrele de management sunt transmise ca și cadrele de date (numai că nu sunt expediate straturilor superioare), fiind folosite în mai multe feluri: pentru semnalizare, asociere, autentificare și sondare.

Fiecare dispozitiv conectat într-o rețea fără fir are o adresă de 48 biți denumită adresa MAC și folosită pentru identificarea unică a fiecărui aparat. Protocolul prevede și adrese de tip multi-destinație și difuziune, cum ar fi deexemplu FF-FF-FF-FF-FF.

Formatul general al cadrului MAC corespunzător standardului 802.11 estedat în Tabelul 2-3.

Tabel 2-3 : Structura unui cadru MAC

Câmpul controlul cadrului este folosit pentru a transfera informații de control între dispozitive. Subcâmpurile lui identifică elemente precum versiunea protocolului, tipul cadrului, informații cu privire la locul fragmentului de date în pachet, starea managementului consumului de energie, nivelul de securitate etc.[scribd]

Figura 2-16: Structura câmpului Controlul Cadrului

3 Studierea calității serviciilor (QoS) în rețelele fără fir

IEEE 802.11 este cel mai popular standard al rețelelor locale fără fir (WLAN), dar nu are capacitatea de a furniza calitate serviciilor(QoS).Un nou standard numit IEEE 802.11e a fost propus pentru asigurarea calității serviciului în rețelele care foloseau standardul IEEE 802.11.Rețelele IEEE 802.11e funcționează în două moduri: un mod distribuit și la unul centralizat. Pentru oferirea garanțiilor referitoare la calitatea serviciului,abordarea centralizată este cea mai promițătoare.

Numeroase aplicații multimedia, cum ar fi: controlul calității MPEG4 sau conferințele video, au trafic cu rata de biți variabilă (VBR) și este obligatoriu, așadar, ca aceste mecanisme să fie prezente astfel încat să se asigure calitatea serviciului.

3.1 Asigurarea calității serviciilor in standardul IEEE 802.11e

Standardul IEEE 802.11,cu toate că este utilizat la scară largă, nu este capabil să ofere garanții în privința calității serviciilor(QoS).Din moment ce QoS reprezintă o necesitate crescândă din punct de vedere al maririi numarului de aplicații multimedia și nu numai,care depind de acest tip de mecanism,s-au făcut eforturi de a se introduce un nou standard.Prin urmare, standardul IEEE 802.11e a fost introdus pentru a corecta neajunsurile amendamentului IEEE 802.11 pentru oferirea unei calități superioare serviciilor.

IEEE 802.11e propune niște modificări majore ale standardului IEEE 802.11 care să includă și serviciile ce necesită suport pentru QoS.Standardul IEEE 802.11e introduce o noua funcție la nivelul MAC,numită Funcția de Coordonare Hibridă (HCF).Această funcție HCF introduce la rândul ei niște componente și tehnici care lipseau din standardul clasic IEEE 802.11.Termenii și conceptele importante introduse de IEEE 802.11e sunt:

Stația QoS (QSTA): O statie care implementeaza facilitățile QoS;

BSS QoS (QBSS): Un Set de Serviciu de Bază (BSS) care implementează facilitățile QoS;

AP QoS (QAP): Un Punct de Acces care suportă standardul QoS-ului;

Oportunitatea de Transmisie (RXOP): Durata de timp în care un QSTA poate trimite date instant;

Coordonator Hibrid (HC): Un controler centralizat pentru toate celelalte stații din QBSS;

Acces Controlat de Faza(CAP): Timpul în care HC-ul menține controlul asupra mediului;

Functia de Coordonare Hibrida(HCF) opereaza in doua moduri:

Funcția de Coordonare Distribuită și Îmbunătățită (EDCF);

Funcția de Coordonare Hibridă cu Canal de Acces Controlat (HCCA) ;

Funcția de Coordonare Hibridă a standardului IEEE 802.11e lucrează în fruntea Funcției de Coordonare Distribuită.Figura 3-1 ilustrează relația dintre DCF si PCF ale standardului IEEE 802.11 și noile funcții EDCF si HCCA are IEEE 802.11e: