Nivelul Fizic in retele 802.11

Arhitectura nivelului fizicNivele fizice 802.11Spectrul radioCanaleSpread SpectrumFHSS, DSSS, HR/DSSS, OFDM, MIMOComparatie intre standardele 802.11Performanta comunicatieiViteze, pierderi pe legatura si distanteInterferenta multipathAntene, Amplificatoare

Arhitectura nivelului fizic

• Physical layer (PHY)

• Doua subnivele– Physical Layer Convergence Procedure (PLCP)

• Antet propriu

– Physical Medium Dependent (PMD)• Transmite folosind antena bitii primiti de la PLCP

• Functie clear channel assessment (CCA)– Indica MAC-ului detectia unui semnal

Nivele fizice 802.11

• Frequency-hopping (FH) spread-spectrum radio PHY• Direct-sequence (DS) spread-spectrum radio PHY• Infrared light (IR) PHY• 802.11a Orthogonal Frequency Division Multiplexing

(OFDM) PHY• 802.11b High-Rate Direct Sequence (HR/DS sau

HR/DSSS) PHY• 802.11g Extended Rate PHY (ERP)• 802.11n Multiple Input/Multiple Output (MIMO) PHY

sau High-Throughput PHY

Spectrul radio• Spectrul radio este alocat in benzi de frecventa• Banda de frecventa defineste frecventele care pot fi

folosite de catre o anumita aplicatie• Banda de frecventa include benzi de garda

reprezentand portiuni nefolosite de frecventa• Dispozitivele wireless opereaza in gama undelor radio

a spectrului electromagnetic• ITU-R International Telecommunication Union -

Radiocommunication Sector• ITU-R reglementeaza alocarea spectrului de frecventa

radio (radio frequency – RF)• Benzile de frecventa sunt alocate pentru diferite

scopuri

• Unele benzi sunt puternic reglementate si sunt folosite pentru aplicatii cum ar fi controlul traficului aerian, alte benzi sunt fara licenta

• Mai multe benzi sunt rezervate pentru “unlicensed use”

• ISM – Industrial, Scientific and Medical• UNII – Unlicensed National Information Infrastructure• Benzi ISM

– 900MHz, 2.4GHz, 5GHz• Banda ISM 2.4GHz

– 802.11– Bluetooth

• In gama de 5GHz exista mai multe benzi rezervate pentru “unlicensed use” in Europa, Statele Unite si Japonia

• Gama undelor radio este subdivizata in sectiunea frecventelor radio si sectiunea frecventelor microunde

• Comunicatiile WLAN, Bluetooth, celular and satelite opereaza in sectiunea frecventelor microunde

• Sectiunea frecventelor microunde este impartita in:– Ultra High Frequency– Super High Frequency– Extremely High Frequency

• Urmatoarele benzi de frecventa sunt alocate retelelor WLAN 802.11:– 2.4 GHz (UHF) - 802.11b/g/n/ad – 5 GHz (SHF) - 802.11a/n/ac/ad– 60 GHz(EHF) - 802.11ad

Canale

• Stabilite prin standardul 802.11• 2.4GHz

– 11 canale in America de Nord– 13 canale in Europa– 22MHz frecventa ocupata (latimea de banda a canalului)– 5MHz separare intre frecventele centrale ale canalelor– Energia RF maxima este la frecventa centrala

• In cazul WLAN-urilor care necesita mai multe AP-uri este recomandata folosirea canalelor care nu se suprapun

Spread Spectrum

• Foloseste functii matematice pentru a difuza puterea semnalului peste o gama larga de frecvente

• Receptorul executa functia inversa• FCC impune limitarea puterii transmisiilor spread

spectrum– Puterea de iesire a transmitatorului max. 1W

– Effective radiated power max. 4W

• Tipuri– Frequency hopping (FH sau FHSS)

– Direct sequence (DS sau DSSS)

– Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)

FHSS

• Sare de la o frecventa la alta intr-un model aleator transmitand o rafala scurta la fiecare subcanal

• 79 subcanale, fiecare de 1MHZ, in banda de 2.4GHz ISM

• Generatorul de numere pseudoaleator produce secventa de frecvente

• Statiile sar simultan la aceleasi frecvente• Durata petrecuta pe fiecare frecventa

– Timp de locuire

– Parametru ajustabil

– Mai mic de 400ms

• Avantaje– Alocare eficienta a spectrului in banda ISM

– Securitate• Secventa de salt

• Timpul de locuire

– Rezistenta buna in ceea ce priveste atenuarea la transmisia pe mai multe cai

– Putin sensibil la interferenta radio

• Dezavantaj– Latime de banda redusa

• 2Mbps FH PHY

DSSS

• Imprastie puterea peste o banda de frecventa mai mare folosind functii de codificare matematice

• Fiecare bit este transmis ca o secventa de 11 fragmente folosindu-se secventa Barker

• 2Mbps DS PHY

HR/DSSS

• 2.4GHz ISM• 11 milioane fragmente/secunda, 11Mbps• 802.11b HR/DSSS PHY• 1, 2, 5.5, 11Mbps• 1, 2Mbps, 1Mbaud cu 1 si respectiv 2 biti per baud,

modularea schimbarii de faza, compatibil cu DSSS• 5.5, 11Mbps, 1.375Mbaud cu 4 si respectiv 8 biti per

baud, codurile Walsh/Haramard

OFDM

• Divide canalul in mai multe subcanale si codifica o portiune de semnal peste fiecare subcanal in paralel

• 5GHz ISM, 2.4GHz ISM• 52 frecvente

– 48 pentru date

– 4 pentru sincronizare

• Codificare– Modularea schimbarii de faza pentru viteze de pana la

10Mbps

– QAM pentru viteze mai mari de 10Mbps

– La 54Mbps 216 biti de date sunt codificati in simboluri de 288 biti

• Avantaje– Imunitate mai buna la interferenta de banda ingusta

– Posibilitatea utilizarii benzilor care nu sunt contigue

– Eficienta buna a spectrului in termeni de biti/Hz

– Imunitate buna in fata atenuarii la transmisia pe mai multe cai

• 802.11a OFDM PHY (5GHz ISM)• 802.11g ERP PHY (2.4GHz ISM)

MIMO

• Imparte sirul de date in mai multe siruri si le transmite simultan folosind antenele disponibile

• 2 siruri permit o viteza maxima teoretica de 248Mbps

• Viteze cuprinse intre 150Mbps si 600Mbps

Comparatie intre standardele 802.11

Standard IEEE Viteza maxima Frecventa Compatibilitate

802.11 2 Mbps 2.4 GHz -

802.11a 54 Mbps 5 GHz -

802.11b 11 Mbps 2.4 GHz -

802.11g 54 Mbps 2.4 GHz 802.11b

802.11n 600 Mbps 2.4 si 5 GHz 802.11a/b/g

802.11ac 1.3 Gbps 5 GHz 802.11a/n

802.11ad 7 Gbps 2.4, 5 si 60 GHz 802.11a/b/g/n/ac

Performanta comunicatiei

• Signal-to-noise ratio (SNR) – factor determinant al performantei comunicatiei

• Capacitatea unui canal de comunicatii este data de teorema Shannon-Hartley

• Puterea amplificatorului masurata in decibeli (dB)

)_/_(log10 10 inputereoutputeredB

• Limita Shannon sau capacitatea Shannon

)1)/(^2(log*10

1)/(^2

)*1.0^101(log

)1(log

10

2

2

WCSNR

WCNS

SNRWCNSWC

• C – capacitatea maxima exprimata in bps• W – latimea de banda exprimata in Hz• S/N ca si raport de putere• SNR ca si dB

Viteze, pierderi pe legatura si distante

• Modulatiile de viteza mai mare impacheteaza mai multi biti intr-un interval de timp dat si necesita un SNR mai mare

• Nivelul semnalului si SNR scade cu distanta de la AP

• Viteza comunicatiei depinde de distanta

• Free-space path loss (FSPL) – pierderea puterii semnalului rezultata dintr-o cale dreapta prin spatiu liber, fara obstacole care sa cauzeze reflexie sau difractie

• f – frecventa (MHz)• d – distanta (km)

• Obstacolele reduc puterea semnalului• Calculul distantelor poate include un factor numit

link margin pentru pierderi neprevazute• Pierderea_totala=puterea_TX+castigul_antenei_TX-

FSPL-pierderea_pe_obstacole-link_margin+castigul_antenei_RX

44.32)(log20)(log20 1010 fdFSPL

Interferenta multipath

• Multipath fading sau multipath interference• Undele se adauga prin superpozitie• Unda totala reprezinta suma undelor care converg

intr-un punct

• Unda totala la receptor este suma undelor rezultate din transmisia semnalului pe mai multe cai

• De cele mai multe ori solutia este schimbarea orientarii sau pozitiei receptorului

Antene

• Convertesc semnalele electrice in unde radio si vice versa

• Fabricate din material conductor– Undele radio determina miscarea electronilor in conductor

si creaza un curent electric

– Curentul electric in conductor creaza un camp electric, variatia curentului determina variatia campului fapt ce cauzeaza un camp magnetic

• Dimensiunile antenelor depind de frecventa:– Dimensiunea scade cu cresterea frecventei

– Antene simple, dimensiunea este ½ lungimea de unda

• Clasificare dupa directie– Antenele nu maresc puterea semnalului;

redirectioneaza energia primita de la transmitator

– Omnidirectionale: transmit si receptioneaza semnale din orice directie

– Directionale: transmit si receptioneaza pe o portiune de camp mai ingusta, furnizeaza putere mai mare semnalului intr-o directie si putere mai putina semnalului in celelalte directii

– Yagi: tip de antena directionala, poate fi folosita pentru distante lungi, folosite de obicei pentru a extinde aria de acoperire in afara cladirilor sau pentru a conecta o alta cladire

• Linia de transmisie dintre transceiver si antena prezinta uzual o impedanta de 50Ω

Amplificatoare

• Maresc puterea semnalului• Amplificarea (castigul) se masoara in dB• Clasificare

– Zgomot redus• Low-noise amplifier (LNA)

• Amplifica semnalul receptionat

– Putere mare• High-power amplifier (HPA)

• Amplifica semnalul de transmis