Tipologie standard di wireless LAN (2)

802.11a and 802.11g

802.11a standard, operates at the 5-GHz UNII (unlicensed National Information Infrastructure) band and can achieve data rates as high as 54 Mbits/s-a significant improvement over other standards-based wireless technology. Moreover, 802.11a standard has some unique and distinct advantages over other wireless standards in that it uses a relatively new technology called orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) as opposed to spread spectrum, and it operates in a clean band of frequencies at 5 GHz. OFDM is a technology that resolves many of the problems associated with the indoor wireless environment. Indoor environments such as homes and offices are difficult because the radio system has to deal with a phenomenon called "multipath". Multipath is the effect of multiple received radio signals coming from reflections off walls, ceilings, floors, furniture, people and other objects. In addition, the radio has to deal with another frequency phenomenon called "fading," where blockage of the signal occurs due to objects or the position of a device relative to the Internet gateway.

OFDM has been designed to deal with these phenomena and at the same time utilize spectrum more efficiently than spread spectrum to significantly increase performance. Ratified in 1999, the IEEE 802.11a standard significantly increases the performance (54 Mbits/s vs.11 Mbits/s) of indoor wireless networks. At the same time, it creates a more robust communications link by using OFDM technology and moving to 5 GHz.

Il protocollo 11a e' usato solo negli USA in quanto in Europa le frequenze sui 5 GHz sono destinate a HiperLan. E' invece recentemente entrato in commercio una estensione del WiFi (802.11g) che consente la velocita' di 50 Mbit/s (DSSS) pur restando nella banda dei 2.4 GHz.

Lo standard approvato nel 2002 dal Task Group 802.11g raggiunge, come nel caso dell’802.11a, un throughput massimo teorico di 54Mbps ma utilizza la banda dei 2,4GHz e la modulazione OFDM per velocita` maggiori di 20Mbps. Questo standard sta ancora oggi avendo un grande successo anche per la sua retrocompatibilita` con l’802.11b. Attualmente quasi tutti i dispositivi di rete wireless in commercio adottano questo standard con varie ottimizzazioni fatte dai produttori e` possibile raggiungere una banda teorica di 100Mbps utilizzando dispositivi della medesima marca.

WiFi e cellulare 3G

Negli ultimi tempi si e' assistito ad una grande diffusione degli impianti dotati di AP WiFi, ad esempio in alberghi, centri commerciali, stazioni,  aeroporti, ospedali, campus. I computer portatili sono equippaggiati ultimamente di serie con il WiFi. In questo modo e' possibile connettersi a Internet in modo economico. Inoltre le stazioni base possono gestire anche GSM e GPRS, per consentire l'accesso a basso costo anche dei cellulari telefonici.

Tutto cio' fa prevedere una competizione con il cellulare 3G, che prevede velocita' di trasmissione dati di 2 Mbit/s in ambienti chiusi e 384 kbit/s. I sistemi 3G operano sulle frequenze (1665-2025 e 2110-2200 MHz) che hanno bisogno di licenza, piuttosto costosa, e consentono anch'essi l'accesso a Internet anche, ad esempio, in movimento su strada (al contrario il WiFi si sta espandendo molto per le comunicazioni end to end in ambiente locale).


Bluetooth (802.15   Wireless PAN)

BlueTooth should not even be mentioned in this document, but people keep thinking that BlueTooth is a Wireless LAN. BlueTooth is more a cable replacement technology mostly developed and promoted by Ericsson with the help of Intel, offering point to point links and no native support for IP (need to use PPP). It may be good for some applications, but not for Wireless LANs. It offers the functionality of a Wireless USB, and in fact there are some similarities in the design.

A livello fisico lavora sulle frequenze di 2.4 GHz, con velocita' di trasmissione dati fino a 721 kbit/s  e 3 canali di trasmissione vocale a 64 kbit/s. Il raggio di copertura va da 10 a 100 metri, a seconda della potenza dei dispositivi. Utilizza il medodo di frequency hopping, supporta la correzione degli errori in avanti (FEC) e l'ARQ (Automatic Repeat Request). Ogni dispositivo ha un indirizzo di 12 bit, supporta l'autenticazione dei dispositivi  e la cifratura delle comunicazioni.

BlueTooth offers the possibility to create a set of point to point wireless serial pipes (RfComm) between a master and up to 7 slaves, with a protocol (SDP) to bind those pipes to a specific application or driver. 

Bluetooth utilizza il Frequency-Hopping Spread Spectrum con 79 canali di  1MHz ciascuno, sempre nella banda dei 2.4 GHz. Dopo ogni transmit o receive, i device saltano ad un nuovo canale.

Un network di device connessi tramite Bluetooth forma una piconet, che deve contenere almeno 2 device, ad esempio un PC e un telefono cellularet. Una piconet puo' supportare fino ad 8 device, di cui uno solo e' Master, gli altoi sono Slave.

Piconet is a combination of the prefix "pico," meaning very small or one trillionth, and network. Una piconet puo' anche essere chiamata PAN, Personal Network Area.

I device di una piconet  evitano di interferire cambiando costantemente canale.  In  Bluetooth i device quando si connettono ad un master, ricevono il clock (per sincronizzarsi) e il  Bluetooth device address (BD_ADDR). Queste informazioni sono passate agli slave con pacchetti speciali chiamati frequency-hop synchronization packet (FHS packet). Il  master's Bluetooth device address e' usato per calcolare la sequenza di frequency hop che tutti i devices in una piconet dovranno seguire, e il master's clock decide quale e' il current hop nella sequenza (phase). Tutti i devices in una piconet memorizzano la differenza fra il loro clock nativo e il master's clock, in modo da conoscere esattamente a quale frequenza ricevere e trasmettere.

Ogni piconet ha un master diverso, che ha quindi un unico indirizzo Bluetooth di device e il proprio  clock, in modo che ogni piconet ha la sua sequenza di frequency-hopping diversa, evitando cosi' le interferenze fra piconet.

Le piconet si compongono infatti fra loro, ottenendo reti piu' complesse dette Scatternet.

E' possibile che un device prenda parte a due diverse piconet swappando fra 2 diverse frequency-hopping sequences. La Figura sotto mostra 2 esempi diversi di scatternet. A sinistra un device e' il master in una piconet ed e' slave in un'altra.. Sulla destra un device e' slave in 2 diverse piconet.

Bluetooth scatternet.

Ovviamente non e' possibile che un device sia master in 2 diverse piconet.

Bluetooth, come già detto, opera nella stessa frequenza del WI-Fi. Queste due tecnologie pur utilizzando la stessa frequenza non sono compatibili tra loro. Tuttavia non si disturbano reciprocamente grazie a funzioni di configurazione dinamica che permettono di far convivere entrambi i tipi di trasmissione.

I tipi di link basebad usati sono:

Polling based (TDD) packet transmission

·        slot di 0.625 msec. (max 1600 slots/sec)  scambiati da master a slave e viceversa.

·        sistema di polling gestito dal master che "polls" gli slave

Synchronous connection-oriented (SCO) link

·        circuit switched (assegnazione periodica di single-slot packet)

Asynchronous connection-less (ACL) link

·        packet switcing

·        asymmetric bandwith. Packet size variabile (1-5 slot)

 

So what do 802.11 and Bluetooth technologies have in common? Both simplify cabling, basically by eliminating the need for it. Both enable devices to wirelessly exchange information. Both extend cabled LANs with airborne connections. And both share the 2.4GHz unlicensed frequency band. And their differences?

The vendor community, as you might suspect, describes 802.11 and Bluetooth as complementary rather than competitive. Bluetooth is said to be more mobile-centric than 802.11. For example, while 802.11 enables limited mobility within offices and campuses, Bluetooth supports global roaming capabilities. In addition, Bluetooth can connect a device to a LAN and a WAN - unlike the LAN-only 802.11- creating what experts are dubbing personal area networks (PAN). Created for individual users, PANs comprise LAN/WAN connections that can be set up and torn down on the fly. Bluetooth can serve as a cable replacement between a laptop modem and a cellular phone, for example. Bluetooth also allows users to "beam" information from one device to another across distances of at least 30 feet and up to 300 feet. It can communicate through walls and does not require line of sight. So far it sounds like Bluetooth might have the edge. But we've only scratched the surface with regard to competing RF standards, their respective applications, and how the market will shape up. Moreover, The Times had an article stating that Wireless Ethernet appears to be becoming more popular than Bluetooth.


Scheda per Bluetooth

Currently, BlueTooth is moving very slow due to its complexity and the inherent limits due to the protocol design, but eventually some products should reach the market and later on software support should come.


HiperLan

HiperLan /1  -  WLAN

I is the total opposite of 802.11. This standard has been designed by a committee of researcher within the ETSI Europeo, without strong vendors influence, and is quite different from existing products. The standard is quite simple, uses some advanced features, and has already been ratified a while ago (summer 96 - we are now only waiting for the products).

The first main advantage of HiperLan is that it works in a dedicated bandwidth (5.1 to 5.3 GHz, allocated only in Europe), and so doesn't have to include spread spectrum. The signalling rate is 23.5 Mb/s, and 5 fixed channels are defined. The protocol uses a variant of CSMA/CA based on packet time to live and priority, and MAC level retransmissions. The protocol includes optional encryption (no algorythm mandated) and power saving.

The nicest feature of Hiperlan (apart from the high speed) is the ad-hoc routing : if your destination is out of reach, intermediate nodes will automatically forward it through the optimal route within the Hiperlan network (the routes are regularly automatically recalculated). Hiperlan is also totally ad-hoc, requiring no configuration and no central controller.

The main deficiency of Hiperlan standard is that it doesn't provide real isochronous services (but comes quite close with time to live and priority), doesn't fully specify the access point mechanisms and hasn't really been proved to work on a large scale in the real world. Overhead tends also to be quite large (really big packet headers).

HiperLan suffers from the same disease as 802.11 : the requirements are tight and the protocol complex, making it very expensive.

HiperLan/2  WMAN

HiperLan II is the total opposite of HiperLan I (see above ;-). The first HiperLan was designed to build ad-hoc networks, the second HiperLan was designed for managed infrastructure and wireless distribution systems. The only similarities is the HiperLan II is being specified by the ETSI (Broadband Radio Access Network group), operate at 5 GHz (5.4 to 5.7 GHz) and the band is dedicated in europe.

HiperLan II was the first standard to be based on OFDM modulation. Each sub-carrier may be modulated by different modulations (and use different convolutional code, a sort of FEC), which allow to offer multiple bit-rates (6, 9, 12, 18, 27 and 36 Mb/s, with optional 54 Mb/s), with likely performance around 25 Mb/s bit-rate. The channel width is 20 MHz and includes 48 OFDM carriers used to carry data and 4 additional are used as references (pilot carriers - total is 52 carriers, 312.5 kHz spacing).

HiperLan II is a Wireless ATM system, and the MAC protocol is a TDMA scheme centrally coordinated with reservation slots. Each slot has a 54 B payload, and the MAC provide SAR (segmentation and reassembly - fragment large packets into 54 B cells) and ARQ (Automatic Request - MAC retransmissions, see chapter 5.2.1). The scheduler (in the central coordinator) is flexible and adaptive, with a call admission control, and the content of the TDMA frame change on a frame basis to accommodate traffic needs. HiperLan II also defines power saving and security features.

HiperLan II is designed to carry ATM cells, but also IP packets, Firewire packets (IEEE 1394) and digital voice (from cellular phones). The main advantage of HiperLan II is that it can offer better quality of service (low latency) and differentiated quality of service (guarantee of bandwidth), which is what people deploying wireless distribution system want. On the other hand, I'm worried about the protocol overhead, especially for IP traffic.

 


 

WiMax   (IEEE 802.16)

WiMax, acronimo di Worldwide Interoperability for Microwave Access, è un marchio di certificazione per prodotti che superano i controlli di conformità e interoperabilità per gli standard della famiglia IEEE 802.16. IEEE 802.16 è il gruppo di lavoro numero 16 dell'IEEE 802, specializzato nell'accesso senza fili a banda larga del genere punto-multipunto.

WiMax in realta' presenta 2 standard. 

  1. Uno e' il Fixed WiMax o 802.16-2004(d). 

  2. Il secondo, preferito dal Forum, e' il  Mobile WiMax o 802.16e, che e' in dirittura  d'arrivo.

Sono presenti con il proprio standard, infatti, sia l'Electrical and Electronics Engineers con l'IEEE 802.16 working group, che il WiMAX forum (http://www.wimaxforum.org/home), una organizzazione non-profit formata per certificare la compatibilita' e l'interoperabilita' dei prodotti broadband wireless, specificatamente quelli descritti dall'IEEE 802.16. I 2 gruppi lavorano in collegamento, ma hanno qualche diversita' di vedute.  L'omologo e concorrente di WiMAX in Europa è HIPERMAN. WiMAX Forum sta lavorando per rendere 802.16 e HIPERMAN interoperabili e il più possibile vicini.


HIPERMAN

Significa High Performance Radio Metropolitan Area Network ed e' la proposta dello European Telecommunications Standards Institute (ETSI) Broadband Radio Access Networks (BRAN) group per fornire una wireless network communication nella banda 2 - 11 GHz in Europa e gli altri stati che seguono l'ETSI standard.    In genere si tende a confondere un po' le cose.

Per quanto riguarda l'Italia, a fine aprile 2005  il Ministero della Difesa ha acconsentito a cedere al Ministero delle Comunicazioni le frequenze 3,5 GHz per i servizi WiMax. Si tratta dello standard 802.16 (???) che dovrebbe notevolmente ridurre i costi e aumentare la disponibilità delle tecnologie wireless a banda larga.

Dal punto di vista tecnico, siamo di fronte ad un’evoluzione del WiFi, con connessioni a 70 Mbps wireless in un raggio di 50 chilometri.

Le frequenze adatte erano in possesso del Ministero della Difesa ed impiegate anche nell'ambito della NATO. Il Ministero della Difesa dovrà spostare tutte quelle attività che ora usano queste frequenze. Naturalmente ci vorrà tempo, le apparecchiature che usavano i 3,5 GHz dovranno essere sostituite e verranno utilizzati fondi pubblici.

Questo tipo di connessione WiMax verrà resa disponibile prima in alcune zone del territorio nazionale, poi in altre. Poi sarà deciso in quali città partire con il passaggio di consegne.

La cosa importante è che il WiMax sarà usato in alternativa all’Adsl, nelle zone che non ne sono coperte. In quelle città si sperimenterà il WiMax con gli operatori, ma ancora non si sa quando arriveranno le prime offerte commerciali. Nel frattempo, il Ministero delle Telecomunicazioni ha presentato il 7 Giugno 2005 uno schema di decreto ad hoc. Tale schema avvia le sperimentazioni WiMax nei luoghi e nelle frequenze consentiti.

Dal punto di vista pratico, per utilizzare questa connessione, sarà necessario installare un’antenna WiMax sull’edificio per riceverne il segnale, proveniente da una base station disposta a qualche decina di chilometri di distanza e collegata al backbone di banda larga su rete fissa. Il segnale viene diffuso su frequenze licenziate e protette da interferenze.

La soluzione si applica per le zone dove le centrali telefoniche non sono raggiunte dal backbone e dove quindi non è possibile offrire servizi Adsl. A livello tecnico, la portata massima del WiMax è di 50 Km, molto superiore rispetto alle poche centinaia di metri del Wi-Fi e di una larghezza di banda che può spingersi fino a 74 Mbps.

Il WiMax forum prevede un'implementazione in tre fasi della tecnologia 802.16, che inizierà con l'installazione di antenne esterne fisse per introdurre rapidamente il wireless nei mercati emergenti e velocizzare l'installazione di servizi in banda larga senza la necessità di posare cavi o fili elettrici.

Standard

L'attuale standard 802.16 ha la sigla IEEE Std 802.16-2004 ed è stato approvato nel giugno del 2004. Esso riguarda solo i sistemi fissi. È in corso di elaborazione un emendamento 802.16f che aggiungerà allo standard componenti per la mobilità; il suo completamento è previsto per la metà del 2005.

WiMAX non si pone in conflitto con Wi-Fi ma ne costituisce il complemento. Dato che le reti IEEE 802.16 utilizzano lo stesso LLC, Logical Link Controller (standardizzato come IEEE 802.2), come le altre LAN e WAN, possono essere collegate ad esse e servire per incanalamenti comuni. Quindi le considerazioni sulla complementarità a Wi-Fi si estendono a tutte le modalità di wired ethernet (IEEE 802.3), token ring (IEEE 802.5) e agli standard non-IEEE che utilizzano lo stesso LLC inclusi FDDI e Cable Modem (DOCSIS, HDTV).

WiMAX è una tecnologia di rete di area metropolitana (MAN) senza fili che connetterà ad Internet gli hotspot IEEE 802.11 (WiFi) e fornirà una estensione wireless alle connessioni a cavo e DSL per l'accesso in banda larga dell'ultimo miglio. IEEE 802.16 consente una estensione di area di servizio lineare fino a 50 km (31 miglia) e consente agli utenti una connettività ad una stazione base verso la quale manchi una linea diretta di vista. Osserviamo che questo non significa garantire la connettività agli utenti che si trovino a una distanza di 50 km privi di una linea diretta di vista. La tecnologia supporta inoltre velocità di trasmissione di dati condivisi fino a 70 Mbit/s secondo i proponenti di WiMAX questa ampiezza di banda è sufficiente per supportare simultaneamente almeno 60 aziende con connettività di tipo T1 ben più di un migliaio di abitazioni con connettività al livello DSL da 1Mbit/s.

Un aspetto importante di IEEE 802.16 sta nel fatto che esso definisce uno strato MAC che supporta specificazioni di strato fisico multiplo (PHY). Questo è cruciale perché i produttori di apparecchiature per l'utente finale possano differenziare le loro offerte.

Lo strato MAC in WiMAX è significativamente diverso da quello in Wi-Fi (e da quello di ethernet che Wi-Fi ha ripreso). In Wi-Fi, il collegamento ethernet utilizza l'accesso di contenimento - tutte le stazioni sottoscrittrici che vogliono far passare dati attraverso un punto di accesso (AP) competono per ottenere l'attenzione dell'AP e questa viene decisa con scelte casuali. Per contro il MAC in 802.16 è un MAC con schedulazione con il quale la stazione sottoscrittrice deve soltanto avanzare una sola richiesta, quella riguardante l'ingresso iniziale nella rete: successivamente la stazione di base le alloca un time slot. Questo può essere allargato o ristretto, ma rimane assegnato alla stazione sottoscrittrice, il che significa che le altre sottoscrittrici non lo utilizzano ma attendono il loro turno. Questo algoritmo di schedulazione è stabile nei confronti del sovraccarico e della sovrasottoscrizione (contrariamente a quanto accade allo standard 802.11). Esso inoltre è molto più efficiente nei confronti della larghezza di banda. L'algoritmo di schedulazione consente anche alla stazione di base di controllare la QoS, la qualità del Servizio, bilanciando le assegnazioni tra le necessità delle stazioni sottoscrittrici.

La prima versione dello standard 802.16 pubblicata descrive ambienti operativi ad alte frequenze (tra i 10 e i 66 GHz) in modalità LOS (Line-of-Sight), "A Vista". Il più recente standard pubblicato: 802.16a contempla invece ambienti per sistemi che operano in bande tra 2 GHz e 11 GHz. La differenza più significativa tra queste due bande di frequenza è interente la possibilità di gestire trasmissioni in ambiente NLOS (Non-Line-of-Sight), "Non A Vista", per le frequenze più basse della gamma indicata, vantaggio questo non raggiungibile nell’ambito delle bande tra i 10 e i 66 GHz.

Aspettative

WiMAX rispetto a Wi-Fi risulta sia più veloce che di maggiore portata. I primi prodotti saranno indirizzati ai network service provider e alle aziende, non ai consumatori. Esso ha un potenziale tale da consentire di allargare a molti milioni gli accessi ad Internet senza fili, di basso costo e di facile attuazione. I proponenti affermano che la copertura senza fili di WiMAX si misurerà in kilometri quadrati, mentre la copertura Wi-Fi viene misurata in metri quadrati. Secondo questi promotori una stazione base WiMAX potrebbe irraggiare connessioni Internet ad alta velocità verso abitazioni e aziende per un raggio di 50 km (31 miglia); queste stazioni di base alla fine copriranno intere aree metropolitane, collocando ciascuna area entro una WMAN e consentendo che all'interno di questa si realizzi una vera mobilità senza fili; questa prospettiva si contrappone a quella dell'hot-spot hopping richiesto da Wi-Fi. I proponenti sperano che questa tecnologia nel giro di pochi anni venga adottata anche per i notebook computers e per i PDAs. Occorre però precisare che il vero roaming a banda larga di tipo cellulare senza fili si baserà sullo standard 802.20, peraltro compatibile con WiMAX.

Si deve anche notare che la proclamata portata di 50 km, e specialmente l'affermazione che queste distanze possono essere raggiunte anche in mancanza di collegamento a vista, rappresenta, al meglio, un massimo teorico per circostanze ideali. Il merito tecnico di queste affermazioni deve ancora essere verificato nel mondo reale. Nessun test ha dimostrato la fattibilità tecnica o pratica di queste prestazioni.


OpenAir

OpenAir is the proprietary protocol from Proxim. As Proxim is one of the largest Wireless LAN manufacturer (if not the largest, but it depends which numbers you are looking at), they are trying to push OpenAir as an alternative to 802.11 through the WLIF (Wireless LAN Interoperability Forum). Proxim is the only one having all the detailed informations on OpenAir, and strangely enough all the OpenAir products are based on Proxim's module.

OpenAir is a pre-802.11 protocol, using Frequency Hopping and 0.8 and 1.6 Mb/s bit rate (2FSK and 4FSK). The radio turnaround (size of contention slots and between packets) is much larger than in 802.11, which allow a cheaper implementation but reduces performance.

The OpenAir MAC protocol is CSMA/CA with MAC retransmissions, and heavily based on RTS/CTS, each contention slot contains a full RTS/CTS exchange, which offer good robustness but some overhead. A nice feature of the protocol is that the access point can send all its traffic contention free at the beginning of each dwell and then switch the channel back to contention access mode.

OpenAir doesn't implement any encryption at the MAC layer, but generates Network ID based on a password (Security ID). This provide some security only because Proxim controls the way all the implementation behave (they don't provide a way to synchronise to any network as 802.11 manufacturers do). OpenAir also provide coarse power saving.


 


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