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Redes Inalmbricas y Computacin Ubicua/2006-2007
Tema 3.-
Tecnologas inalmbricas de red Aspectos bsicos de las comunicaciones inalmbricas
o Conceptos bsicoso Modelos de propagacin
Gran escalaPequea escala
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Decibelios
Los dB (deciBel) son una unidad adimensional utilizada pararepresentar ratios y ganancias en escala logartmica
o Las ganancias se suman en vez que multiplicarse
Ejemplo: clculo de la atenuacin T-Ro P T=100, P R=10
o [P T/P R]dB = 10 log(P T/P R) = 10 log(10) = 10 dB
Valores tiles:o [1/2] dB -3 dBo [1/1000] dB = -30 dB
Permiten expresar valores absolutos:o [n mW] dBm = [n/mW] dB Ej.: [1mW] dBm = 0 dBmo [n W] dBW = [n/W] dB Ej.: [1 mW] dBW = -30 dBW
De decibelios a potencia: P = 10dB/10
)log(log10log10 121
2101
2 p p p p
p p
dB=
=
dbm watt0 0.001
10 0.01
20 0.130 140 10
dbm watt0 0.001
10 0.01
20 0.130 140 10
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Antenas: conceptos bsicos
Non Isotropic Antennao Irradia la energa que recibe solo
en una seccin del espacio que
la rodea.
Isotropic Antennao Irradia la energa que recibe en
todo el espacio que la rodea.
YAGI Directional Antenna
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Antena Yagi exterior (13,5 dBi)
Alcance: 6 Km a 2 Mb/s2 Km a 11 Mb/s
Antena Parablica exterior (20 dBi)
Alcance: 10 Km a 2 Mb/s4,5 Km a 11 Mb/s
Antenas de largo alcance
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Antena dipolo diversidad paraefectos multipath
Antena de parche para montajeen pared interior o exterior (8,5 dBi)
Alcance: 3 Km a 2 Mb/s1 Km a 11 Mb/s
Horizontal Radiation
Ms ejemplos de antenas
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Bandas sin licencia en USA
Industrial, Scientific, and Medical (ISM)o 902 928 MHz band.
Ahora en disuso para WLAN
o 2400 2483.5 MHz ISM band.
Unlicensed National Information Infrastructure (UNII):o 5.15 5.25 GHz.o 5.25 5.35 GHz.o 5.725 5.850 GHz ISM band.
ExtremelyLow
VeryLow
Low Medium High VeryHigh
UltraHigh
Super High
Inf rar ed Vi si bl eLight
Ultra-violet
X-Rays
Audio AM BroadcastShort Wave Radio FM Broadcast
Television Infrared w ireless LAN
902 - 928 MHz26 MHz
Cellul ar (840MHz)NPCS (1.9GHz)
2.4 - 2.4835 GHz83.5 MHz
(IEEE 802.11)
5 GHz(IEEE 802.11)
HyperLANHyperLAN2
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Bandas sin licencia en Europa
Bandas aprobadas por el CEPT (European Conference of Postaland Telecommunications Administrations)
2400 2483.5 MHz, basada en la ISM.5.15 5.35 GHz.5.470 5.725 GHz.
ExtremelyLow
VeryLow
Low Medium High VeryHigh
UltraHigh
Super High
Inf rar ed Vi si bl eLight
Ultra-violet
X-Rays
Audio AM BroadcastShort Wave Radio FM Broadcast
Television Infrared w ireless LAN
Cellul ar (840MHz)NPCS (1.9GHz)
2.4 - 2.4835 GHz83.5 MHz
(IEEE 802.11)
5 GHz(IEEE 802.11)
HyperLANHyperLAN2
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Europe19 Channels
(*assumes noantenna gain)
1W200mW
Detalles de la banda de 5 GHz
5.15 5.35 5.470 5.725 5.8255 GHzUNII Band
5.25
UNII-1: Indoor Use, antenna must be fixed to the radioUNII-2: Indoor/Outdoor Use, fixed or remote antennaUNII-3: Outdoor Br idging Only (EIRP limit is 52 dBm if PtP)
UNII-140mW
(22 dBm EIRP)
UNII-2200mW
(29 dBm EIRP)
US (FCC)12 Channels(*can use up to
6dBi gain antenna)
UNII-3800mW
(35 dBm EIRP)
4 Channels
*if you use a higher gain antenna, you must reduce the transmit power accordingly
4 Channels 4 Channels11 Channels
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Calculo del Power Budget
PP rxrx == PP txtx+G+G papa --GG txltxl+G+G txatxa --LLpathpath +G+G rxarxa +G+G rara --GG rxlrxlo P tx[dBm]=Power generated by TXo G pa [dB]=Gain of the Power Amplifier
o G txa [dBi]=Gain of TX antennao G txl[dB]=Gain (loss) of transmission lineo Lpth [dB]=Loss of the transmission mediumo G rxa [dBi]=Gain of RX antenna
o G ra [dB]=Gain of the Receive Amplifier o G rxl[dB]=Gain (loss) of receiving lineo P rx[dBm]=Power receivedo S r [dBm]=Sensivity of receiver G txl
Debe valer la condicinDebe valer la condicin PrxPrx >> Sr Sr
EIRP (Effective Isotropically RadiatedPower) = P tx+Gpa+G txa-Gtxl
TX P A
RXR A
P tx G pa G TXA L path G rxa G ra S r
G txl G rxl
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Representacin grafica del power budget
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Caractersticas del canal inalmbrico
Theodore S. Rappaport , Wireless Communications : Principlesand Practice , Prentice Hall, July 1999
El canal inalmbrico sufre de los efectos de los dos siguientesfenmenos:
o Distancia Path attenuation (Large scale fading )
o Multipath (Small scale fading )dispersin en el tiempo debida a los diferentes caminos de la seal
La seal verde recorre 1/2 ms de la lnea enamarillo. El receptor recibe la seal en rojo.
Para f = 2,4 GHz , = c/f = 12.5cm
La seal verde recorre 1/2 ms de la lnea enamarillo. El receptor recibe la seal en rojo.
Para f = 2,4 GHz , = c/f = 12.5cm
T R
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Mecanismos/modelos de propagacin
Propagacin Free Spaceo Solamente ondas directas. Ejemplos: regiones cerca de la fuente,
cmaras anecoicas, antenas muy elevadas.
Propagacin terrestre:o Contacto visual (tierra plana):
Refraccin ( Refraction ): depende del tipo de los materiales conductores odielctricos
o Tierra esfrica:Diffraction: z onas de Fresnel
Propagacin en el espacio:
o Scattering , absorcin, ...
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Propagacin free space
Calculo de la potencia recibida cuando T&R tienen contacto visual(LOS)
o la atenuacin de la seal que resultara eliminando todos los efectos deabsorcin, difraccin, obstruccin, reflexin, dispersin.
Ecuacin de Friis :
Valida solo para d en la regin de Fraunhofer (far-field region ):el rea alrededor de una antena en la cual la radiacin aparecevenir de un solo punto
d > df = 2D 2/;
D es la dimensin ms grande de la antena longitud de onda de la portadora
222
2
)4()(
d P
K Ld
GGPd P t r t t r ==
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Difraccin
La difraccin ocurre cuando una ondagolpea el borde de un obstculo
o El exceso de longitud del recorridoproduce un desplazamiento de fase
o Las zonas de Fresnel meten enrelacin los desplazamientos de fasecon la posicin de los obstculos
Las zonas de Fresnel son elipses con T y Ren los focos
o L1 = L2+ o El campo visual (line of sight, LOS)corresponde a la primera zona
o Si la LOS est parcialmentebloqueada la zona 2 puede interferir
de forma destructiva
T R
1st Fresnel zone
Obstruction
Path 1
Path 2
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Redes Inalmbricas y Computacin Ubicua/2006-2007
Tema 2.-
Tecnologas inalmbricas de red Aspectos bsicos de las comunicaciones inalmbricas
o Conceptos bsicos
o Modelos de propagacinGran escalaPequea escala
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Modelos de propagacin
Gran escala ( large scale ): predicen el comportamiento de una sealpromediado sobre grandes distancias ( )
o Depende de la distancia y de las caractersticas relevantes del entornoo Bsicamente independiente de la frecuencia
Pequea escala ( small scale fading ): describen las variaciones delas seal en escala con
o Domina el efecto del Multipath (phase cancellation ). La atenuacin sepuede considerar constante
o Depende de la frecuencia y del ancho de bandao Fading: representa cambios rpidos de la seal sobre pequeas
distancia o intervalos temporales
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Comparacin
Distancia
P o t e n c i a
10-100 m
(1-10 secs)
0.1 -1 m(10-100 msecs)
Exponencial
Large-scale Fading
Small-scale Fading
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Modelos de propagacin a gran escala: path loss
Se refiere al calculo de la potencia de la seal en el receptor enbase a la distancia d entre transmisor ( T) y receptor ( R)
Calculo del path loss : PL(d) = PL (d 0)+10 nlog(d/d 0) (dB)
PL(d 0) se calcula con la ecuacin de Friis, considerando G t=G r =L=1 :
=
==
d
d PP
d PLr
t )4(
log20)4(log10log10)( 222
0
T Rd
d0
d f
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Modelos de propagacin a gran escala: path loss un ejemplo
Datos: d=10km, f=900MHz, =c/f = 3*10 8/9*10 8 = 1/3mo d 0=1km
PL(d 0) = 20log(4 1000/ ) = 91,5 dB
o free space n=2PL(d) = PL (d 0)+10nlog(d/ d 0)= 91,5 + 10*2*log(10000/1000)= 111,5 dB
o ciudad n=3.5
PL(d) = PL (d 0)+10nlog(d/ d 0)= 91,5 + 10*3.5*log(10000/1000)= 126,5 dB 4-6Indoor no LOS
1.6-1.8Indoor LOS
3-5Shadowed urban area
2.7-3.5Urban area
2Free space
nEnvironment
T Rd
d0d f
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Modelos de propagacin a gran escala: modelos para exteriores
Modelos: 2-Ray Ground Reflectiono para d >> h r h t,
El bajo ngulo de incidencia permite a latierra de actuar como un reflector
La seal reflejada tiene un desfase de 180 P r 1/d 4 (n=4)
Modelos de difraccin para terrenosmontaosos ( hilly terrain )
o La propagacin puede pude ser LOS oresultar en la difraccin en las variascrestas
o Si no hay LOS la difraccin puede ayudar
...
R T
ht hr
Phase shift!
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Modelos de propagacin a gran escala: modelos para interiores
En los modelos para interiores se puede generalizar menos:o El entorno es ms dinmicoo Las caractersticas importantes son mas pequeaso Distancias son ms cercanas al near-fieldo Ms clutters , hay scattering , menos LOS
Tcnicas de modelado:o Log-Normal , n
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Propagacin radio en un entorno cerrado
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Otro ejemplo
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Modelos de propagacin a pequea escala:efectos del Multipath
Pequea escala ( small scale fading ): describen las variaciones delas seal en escala con
o Domina el efecto del Multipath (phase cancellation ). La atenuacin sepuede considerar constante
o Depende de la frecuencia y del ancho de bandao Fading: representa cambios rpidos de la seal sobre pequeas
distancia o intervalos temporales
Rpidas variaciones de la potencia de la seal a causa de la
cancelacin de faseModulacin de la frecuencia producida por Doppler shifts a causadel movimiento de R o T
7
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Modelos estadsticos del fading
Los modelos de Fading modelan la probabilidad de fading endeterminadas localizacionesLos modelos ms sencillos estn basados en el principio deWSSUS
o Wide Sense Stationary (WSS)Las estadsticas son independientes de pequeas perturbaciones en eltiempo y posicinEs decir, parmetros estadsticos fijos para nodos estacionarios
o Uncorrelated Scatter (US)
Los diferentes paths no estn correlatos en fase o atenuacinEs decir, Las componentes multipath componentes pueden ser VCindependientes
Distribuciones comuneso Rayleigh fading distribution
Models a flat fading signalUsed for individual multipath components
o Ricean fading distributionUsed when there is a dominant signal component, e.g. LOS + weaker multipaths
parameter K (dB) defines strength of dominant component; for K=- ,equivalent to Rayleigh
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Redes Inalmbricas y Computacin Ubicua/2006-2007
Tema 3.- Tecnologas inalmbricas de red
Redes WLAN: IEEE 802.11o la capa fsica
o la capa MACo calidad de servicio: 802.11eo seguridad: WAP y 802.11i
o MIMO: 802.11no herramientas de gestin
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Redes Inalmbricas y Computacin Ubicua/2006-2007
Tema 3.- Tecnologas inalmbricas de red
Redes WLAN: IEEE 802.11o la capa fsica
o la capa MACo calidad de servicio: 802.11eo seguridad: WAP y 802.11i
o MIMO: 802.11no herramientas de gestin
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El estndar IEEE 802.11
En el 1997 nace el:o IEEE Working Group for WLAN Standards:
http://grouper.ieee.org/groups/802/11/index.html
Se define el MAC y tres diferentes niveles fsicos, que operan a
1Mbps y 2Mbps:o Infrarrojos (IR) en banda baseo Frequency hopping spread spectrum (FHSS), banda de 2,4 GHzo Direct sequence spread spectrum (DSSS), banda de 2,4 GHz
IEEE Std 802.11b (septiembre 1999):o Extensin de DSSS; hasta 11 Mbps
IEEE Std 802.11a (diciembre 1999):o Otro estndar de nivel fsico (OFDM):
Orthogonal frequency domain multiplexingo Hasta 54 Mbps
IEEE Std 802.11g (junio 2003)...
PHYLayer
Infra-Red(IR)
5 GHz (OFDM)Orthogonal Frequency Division Multiplexing
2.4 GHz (DSSS)Direct Sequence Spread Spectrum
2.4 GHz (FHSS)Frequency Hopping Spread Spectrum
802.11 IR1 / 2 Mbit/s
802.11b / TGbHigh Data Rate Extension5.5/11 Mbit/s
802.11b-cor1 / TGb-cor1Corrigendum MIB
802.11g / TGgData Rates >20 Mbit/s
802.11d / TGdRegulatory Domain Update
802.11 FHSS1 / 2 Mbit/s
802.11 DSSS1 / 2 Mbit/s
802.11a / TGaHigh Data Rate Extension
6/12/24 Mbit/sOptional 9/18/36/54 Mbit/s
802.11h / TGhSpectrum Managed
802.11a
WLANs Next Gemeration SCGlobalization &Harmonization
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Tcnicas de Spread Spectrum
Beneficioso No se producen interferencias
con otras sealeso Mayor inmunidad al ruido
o Difciles de interceptar Frequency Hopping (FHSS)o Utiliza una de 78 secuencias del
salto. Salto a un nuevo canal del1MHz (sobre un total de 79 canales)por lo menos cada 400milliseconds
o Requiere la adquisicin y lasincronizacin del salto
Direct Sequence (DSSS)o Utiliza uno de los 11 canales
solapados y multiplica la seal para
una secuencia de spreading paraensanchar datos a 1M-symbol/secdata sobre 11MHz
X
=
symbol
Barker sequence
Result of multiplication
Symbol time t s1 0
Chip time t c
TimeTime
f f 33f f 22f f 11
f f 44f f 55f f 66f f 77
F r e q
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F r e q
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802.11 DSSS Radio Interface
1 Mbpso 1 Msymbol/s BPSK spread by 11 chip Barker code,o (-4 dB Bandwidth = 11 MHz, main lobe = 22 MHz),o IEEE 802.11
2 Mbpso 1 Msymbol/s QPSK spread by 11 chip Barker codeo (-4 dB Bandwidth = 11 MHz, main lobe = 22 MHz),o IEEE 802.11
5.5 Mbpso 2 Msymbol/s QPSK like symbols spread by 8 chip Complementary Code Keying
(CCK).o IEEE 802.11b
11 Mbpso 4 Msymbol/s QPSK like symbols spread by 8 chip Complementary Code Keying
(CCK).o IEEE 802.11b
54 Mbpso OFDM with max. 52 sub-carriers,o IEEE 802.11a / IEEE 802.11g
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802.11 DSSS Frame Format
PPDU: PLCP protocol data unit
o Durante la transmisin las MPDU son precedidas por el prembulo y la cabecera del PLCP para crear la PPDUo El prembulo y la cabecera del PLCP son transmitidas utilizando una modulacin DBPSK a 1 Mbit/so Todos los bits son scrambled para obtener la funcin de data whitener
Synchronization (SYNC) fieldo Field allows receiver to perform necessary SYNC operationso Also provides for:
gain setting, energy detection, antenna selection, frequency offset compensation
Start Frame Delimiter (SFD) fieldo Indicates start of PHY-dependent parameters within PLCP PreambleSIGNAL field
o Indicates to PHY the modulation used for transmission (and reception) of the MPDUo Data rate = signal field value x 100 kbit/s
SERVICE fieldo Reserved for future use. Value of 00 signifies IEEE 802.11 device compliance
LENGTH fieldo Unsigned 16-bit integer. Indicates time (in S) required to transmit the MPDU
Header Error Check (HEC) fieldo SIGNAL, SERVICE, and LENGTH fields protected with a CCITT CRC-16 Frame Check Sequence (FCS)o All FCS calculations made prior to data scrambling
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802.11b High Rate DSSS Frame Format
Extension of IEEE 802.11 DSSS format Additionally provides 5.5 Mbit/s and 11 Mbit/s data ratesUses same PLCP preamble and header as DSSS
o both PHYs can co-exist in the same BSSo can use the rate switching mechanism as provided.
Two different preambles and headers are defined:o Long Preamble & Header
mandatory & supportedinteroperates with the current 1 Mbit/s and 2 Mbit/s DSSS spec
o Short Preamble & Header optionalwhere maximum throughput is desired
expected to be used only in networks of like equipment
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0HR/DSSS: Long Frame Format
Same format as IEEE 802.11 DSSS FrameThe only exceptions are:
o Encoding of the rate in the SIGNAL field. Represent rate in units of 100 kbit/s0A for 1 Mbit/s, 14 for 2 Mbit/s, 37 for 5.5 Mbit/s, 6E for 11 Mbit/s
o SERVICE fieldRightmost bit (bit 7) used to supplement LENGTH field
resolve an ambiguity in PSDU length in octets, when length expressed in S
Bit 3 used to indicate whether modulation method is CCK or PBCC Bit 2 used to indicate that transmit frequency and symbol clocks are derived from same oscillator
An IEEE 802.11-compliant device shall set values of bits b0, b1, b4, b5, and b6 to 0
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0HR/DSSS: Short Frame Format
Short Synch fieldo Consists of 56 scrambled 0 bits.o So receiver can perform necessary SYNC
Start Frame Delimiter (SFD) field
o Time reverse of long PLCP SFD fieldo Not detected by non-compliant receivers
SIGNAL fieldo Only 1 Mbit/s removed
o Remaining fields same as HR DSSS Long Frame format
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0Los canales de 802.11b Overview
El estndar prev 14 canales de 22 MHz de amplitudo el FCC solo utiliza los primeros 11o en Espaa solo el 10 y el 11
3 canales que no solapan (1, 6,11)data rate de 11 MbpsTres puntos de acceso pueden estar cerca para obtener un total de 33 Mbps dethroughput agregado
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0estndar IEEE 802.11a
5 GHz, 54 Mbps, OFDM technologyo Data rates supported: 54, 48, 36, 24, 12, and 6 Mbpso Can downshift to lower data rates for longer range
Worldwide compatibility issues for 5 GHz bando Effort underway to allow 802.11a operation in European countrieso Long-term: Worldwide usage with adoption of Transmit Power Control
(TPC) and Dynamic Frequency Selection (DFS) per 802.11h standard
5 GHz band has more channels than 2.4 GHz bando UNII-1 + UNII-2 = 8 non-overlapping channels (vs. 3 channels for
2.4GHz)
5 GHz band subject to less interference than 2.4 GHz ISM bando However, 2.4GHz interference not a major problem in most business
environments
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0estndar IEEE 802.11g
Ratificado en junio del 2003 por el IEEE Standards Boardo draft standard preliminar presentado en diciembre de 2001;o ultimo draft v8.2
Utiliza la banda de 2.4 GHzo modulacin OFDM y codificacin PBCC
Compatible hacia atrs con IEEE 802.11bo Pueden co-existir en la misma WLAN
Nuevas velocidades de transmisin suportadas:o 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 & 54 Mbps
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Ejemplo de parmetros fsicos de un dispositivo real
DATA SHEET de un Cisco Aironet 802.11a/b/g CardBus WirelessLAN Client Adapter
Link:http://www.grc.upv.es/docencia/cosas/products_data_sheet09186a00801ebc29.html
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Redes Inalmbricas y Computacin Ubicua/2006-2007
Tema 3.- Tecnologas inalmbricas de red
Redes WLAN: IEEE 802.11o la capa fsica
o la capa MACo calidad de servicio: 802.11eo seguridad: WAP y 802.11i
o MIMO: 802.11no herramientas de gestin
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A it t di ibl
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/ 2 0 0 6 - 2 Arquitecturas disponibles
Independent Basic Service Set (IBSS)o Estructura descentralizadao Flexible:
Redes pequeas y grandes,Redes transitorias y permanentes
o Control del consumo de potencia
infrastructure Basic Service Set (BSS)o Componentes:
Estacin (STA)
Access Point (AP)o Point Coordinator (PC)
o Basic Service Set (BSS)o Extended Service Set (ESS)
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El MAC t g d d t fi bl
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/ 2 0 0 6 - 2 El MAC: entregas de datos fiable
CSMA/CA con binaryexponential backoff El protocolo mnimo consiste dedos tramas: los datos y el
correspondiente ACKPointCoordinationFunction (PCF)
Distributed CoordinationFunction (DCF)
M A C
Servicios sincontienda
Servicios concontienda
DIFS DIFS
PIFS
SIFS
ventana de contienda
defer access
busy medium
s l o t
Los 5 valores de timing: Slot time SIFS: short interframe space (< slot
time) PIFS: PCF interframe space (=SIFS+1slot) DIFS: DCF interframe space (=SIFS+2slots) EIFS: extended interframe space
Los 5 valores de timing: Slot time SIFS: short interframe space (< slot
time) PIFS: PCF interframe space (=SIFS+1slot) DIFS: DCF interframe space (=SIFS+2slots) EIFS: extended interframe space
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Estructura de las tramas
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/ 2 0 0 6 - 2 Estructura de las tramas
FrameControl
FrameControl
Duration /ID
Duration /ID Addr. 1 Addr. 1 Addr. 2 Addr. 2 Addr. 3 Addr. 3
Seq.Control
Seq.Control Addr. 4 Addr. 4 FCSFCS
2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4
management (00) control (01), data (10), reserved (11)
Tipos de direcciones:
Source address (SA)
Destination Address (DA)
Transmitter Address (TA) Receiver Address (RA)
BSS identifier (BSSID)
Tipos de direcciones:
Source address (SA)
Destination Address (DA)
Transmitter Address (TA)
Receiver Address (RA)
BSS identifier (BSSID)
SADATARA11Wireless DS
-DASARA = BSSDI01To the AP
-SABSSDIRA = DA10From the AP
-BSSDISARA = DA00IBSS
Addr. 4 Addr. 3 Addr. 2 Addr. 1FromDSToDSFuncin
FrameBody
FrameBody
prot.vers
prot.vers typetype subtypesubtype
ToDS
ToDS
FromDS
FromDS
Morefrags
Morefrags retryretry
Power mgt
Power mgt
Moredata
Moredata WEPWEP order order
2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1 bits
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Addressing and DS bits
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Addressing and DS bits
SADATARA11Wireless DS
-DASARA = BSSDI01To the AP
-SABSSDIRA = DA10From the AP
-BSSDISARA = DA00IBSS
Addr. 4Addr. 3Addr. 2Addr. 1FromDS
ToDS
Funcin
Server
DA
DSRA (BSSID)
SA/TA
Client AP
Server
SA AP
AP
TA
Client
RA
DA
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Ejemplo de funcionamiento del DCF
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/ 2 0 0 6 - Ejemplo de funcionamiento del DCF
Los intervalos de backoff son escogidos dentro de la congestionwindow . Es decir en el intervalo [0, CW]La CW puede variar entre 31 slots (CW min) y 1023 slots (CW max )CW se incrementa despus de una transmisin fallida y se re-inicializa despus de una transmisin con xito
data
wait
B1 = 5
B2 = 15
data
wait
B1 = 25
B2 = 20
B1 y B2 son intervalos de backoff en las STA 1 y 2CW = 31
B2 = 10
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Otro ejemplo
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/ 2 0 0 6 Otro ejemplo
El transmisor utiliza CW = CWmin (15 slots) del 802.11a y ha seleccionado unrandom backoff time de 12 slots.
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Situaciones problemticas
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/ 2 0 0 6 Situaciones problemticas
Exposed nodeHidden node
A
B
C
A
B C
D
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Hidden nodes
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Obstacle Null
Opposite Side of AP
The receivedsignals cancelone anotherresulting in aNULL signal
The obstacleprevents MU1 andMU2 from hearingone another
MU3 cannot hearMU1 or MU2because of thedistance
Hidden nodes
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Mecanismo RTS/CTS
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/ 2 0 0 6 eca s o S/C S
Se basa en el network allocation vector (NAV)
RTSDIFS
CTSSIFS
data
ACKSIFS SIFS
DIFS
NAV (RTS)NAV (CTS)
fuente
destino
otro STA
defer access
ventana de contienda
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PCF: Point Coordination Function
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Data+Poll
DATA+ACK Beacon
Data+Poll
ACK
Station 2 sets NAV(Network Allocation Vector)
CF-End
PIFS SIFS SIFS SIFS SIFS
SIFS(no response)
PIFS
CP
PC
STA1
Contention Free Period CP
Data+Poll
SIFS
STA2 NAVReset
TimeSTA3 Station 3 is hidden to the PC, it does not set the NAV.It continues to operate in DCF.
Los beacon se utilizan para mantener la sincronizacin de los timersen las estaciones y para enviar informacin de control El AP genera los beacon a intervalos regulares Las estaciones saben cuando llegar el siguiente beacon
los target beacon transmission time (TBTT) son anunciados en elanterior beacon
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Servicios
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La arquitectura IEEE 802.11 define 9 servicios: para la estacin ypara la distribucinStation services:
o Authentication
o Deauthenticationo Privacy WEPo Data delivery
Distribution services:
o Association genera una conexin entre STA y APo Disassociationo Reassociation como association pero informando del AP anterior o Distribution
o integration conexin de la WLAN con otras LANs;uso de un portal
Parecidos a conectar/desconectarel cable en una red tradicional
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Variables de estado y servicios
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State 1:unauthenticated,
unassociated
State 1:unauthenticated,
unassociated
State 2:authenticated,unassociated
State 2:authenticated ,unassociated
State 3:authenticated,
associated
State 3:authenticated,
associated
Disassociation notification
Successful authentication Deauthentication notification
Successful authenticationor reassociation
Class 1, 2 & 3frames
Class 1 & 2frames
Class 1frames
Deauthentication notification
En una IBSS no hay niauth., ni ass. Sepermite laimplementacin deldata service
Una STA puedeestar autenticadapor varios AP peroasociada con soloun AP
Una STA puedeestar autenticadapor varios AP peroasociada con soloun AP
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Scanning
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Parmetros : BSStype, BSSID, SSID, ScanType, ChannelList,ProbeDelay, Min/MaxChannelDelayScanType : Pasivo
o Las estaciones esperan beacons de los APs
ScanType : Activoo Las estaciones envan probe requests
Se genera un scan reportLa fase siguiente es la fase de joining; esta fase precede lasecuencia de acciones hasta llegar a la asociacin
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BSSID y SSID
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BSSID (Basic Service Set Identity )o BSS: direccin MAC del APo Ad-Hoc: numero random de 46 bit
SSID (Service Set ID )o Conocido como el Network Name por que bsicamente es el nombre
que identifica la WLANo Longitud: 0~32 octetos
0: el broadcast SSIDo Gestionado manualmente o de forma automticao identificador nico de 32 caractereso sirve para diferenciar las WLAN entre ellaso Los puntos de acceso y las estaciones que quieran conectarse a una
WLAN nica tienen que utilizar el mismo SSID
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Ahorro de potencia
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Los nodos que estn en la modalidad de ahorro de energa (PS mode) apagan eldispositivo radio durante un cierto intervalo de tiempoo La mayor parte de la potencia de la batera es utilizada por los circuitos de PHY RX
el PHY puede ser apagado cuando no se este transmitiendo auque la estacin sea activao En media la TX en una WLAN es activa menos del 2% del tiempoo los nodos transmisores tienen que bufferizar los frames
o El aumento de la latencia causado por el PS puede ser controlado reduciendo los timeoutsen los protocolos de alto nivelFcil de implementar con PFC. No tan fcil en DCFLos AP generan beacons con un time-stamp y lo transmiten cada intervalo de beaconing(~100 ms)
o la transmisin del beacon es aplazada si el canal est ocupada
o los nodos despiertan antes de que el intervalo de beaconing termina y permanecendespiertos hasta que el beacon es totalmente recibido
o los timestap son utilizados para actualizar los timer localesLos nodos son sincronizados para despertar al mismo tiempo cuando el transmisoranuncia frames buferizados
o los nodos que tienen que recibir frames estn despiertos hasta que el frame es entregado
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El Extended Service Set (ESS)
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BSSBSS
AP AP
WLANWLAN LANLAN
No definido por elestndar como realizarloExiste una propuesta deun grupo de empresas:Inter-acces point protocol(IAPP)
Distribution System (DS)
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Task Group f
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Scope of Project : to develop recommended practices for an Inter-Access Point Protocol (IAPP)which provides the necessary capabilities to achieve multi-vendor Access Point interoperabilityacross a Distribution System supporting IEEE P802.11 Wireless LAN Links.Purpose of Project : ... including the concepts of Access Points and Distribution Systems.Implementation of these concepts where purposely not defined by P802.11 ... As 802.11 basedsystems have grown in popularity, this limitation has become an impediment to WLAN market
growth.This project proposes to specify the necessary information that needs to be exchanged between Access Points to support the P802.11 DS functions. The information exchanges required will bespecified for, one or more Distribution Systems; in a manner sufficient to enable theimplementation of Distribution Systems containing Access Points from different vendors whichadhere to the recommended practices
Status : Work has been completed and is now part of the Standard as a recommended practice.
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Procedimiento de Handoff
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Fase de reassociationCuatro mensajes IAPP
o IAPP Latency > 4 * RTTLos mensajes de Move Request y deMove Response utilizan TCP
STA New AP Old AP
R e a s s o c i a t i o n R e q u e s t
M o v e N o t i f y
S e n d S e c u r i t y B l o c k
A c k S e c u r i
t y B l o c k
M o v e R e s p
o n s e
IAPP Messag
R e a s s o c i a t
i o n R e s p o n s e
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Wireless Distribution System
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IEEE 802.11, WDS meanso Multiple wireless ports inside the access-point, to wirelessly
interconnect cells (access-points connecting to other access-points)
pre-IEEE 802.11, did not support WDS:
o Three ports exist in one access-point (one Ethernet, and two wirelesscells)o One wireless backbone extension can be made (using two radio
modules in the access-point)
WDS allows:o Extending the existing infrastructure with wireless backbone linkso Totally wireless system without any wired backbones, needed in
locations where large areas are to be covered and wiring is not possible
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Channel 1
Channel 6
Channel 11
Channel 1
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WDS Wireless Distribution System
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WDS, consiste en puentear dos redes cableadas para obtenerconexin entre ellas, por ejemplo entre dos edificios de una mismaempresa
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WDS Wireless Distribution System
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Repeater: Consiste en un AP en modo WDS, que simplemente va arepetir las seales que capte de sus compaeros de bridge
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Operational processes Traffic flow - WDS operation
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STA-1STA-1 STA-2STA-2
BSS-A
BSS-B
Packet for STA-2
ACK
Packet for STA-2 ACK
AP-1000 or AP-500 AP-1000 or AP-500
Avaya Wireless PC-Card Avaya Wireless PC-Card
Association table
Bridge learntable
AP-1000 or AP-500 AP-1000 or AP-500
Avaya Wireless PC-Card Avaya Wireless PC-Card
Association table
Bridge learntable
STA-1
STA-2 2
STA-1
STA-
2STA-1
2STA-
2
2
2
W ire le s s
B a c k b o n e
WDSRelay
WDS
RelayPacket for STA-2
ACK
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Tema 3.- Tecnologas inalmbricas de red
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Redes Inalmbricas y Computacin Ubicua/2006-2007
Redes WLAN: IEEE 802.11o la capa fsica
o la capa MACo calidad de servicio: 802.11eo seguridad: WAP y 802.11io MIMO: 802.11no herramientas de gestin
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Limitations of the MAC standard for QoS IEEE802.11e
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DCF (Distributed Coordination Function)o Only support best-effort serviceso No guarantee in bandwidth, packet delay and jitter o Throughput degradation in the heavy load
PCF (Point Coordination Function)o Inefficient and complex central polling schemeo Unpredictable beacon frame delay due to incompatible cooperation
between CP and CFP modes
o Transmission time of the polled stations is unknown
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Overview of 802.11e IEEE802.11e
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U b i c u Task group e formed in Sep. 1999 and Approved in March 2000o Current version: IEEE P802.11e/D6.0, November 2003
o Backwardly compatible with the DCF and PCF
New QoS mechanism: HCF (Hybrid Coordination Function)
o Contention-based channel accessEDCA (Enhanced Distributed Channel Access)
was Enhanced Distributed Coordination Function ( EDCF )
o Controlled channel access (includes polling)HCCA (HCF controlled channel access)
The station that operates as the central coordinator for all otherstations within the same QoS supporting BSS (QBSS) is called thehybrid coordinator (HC).
o The HC reside inside an AP
A BSS that includes an 802.11e-compliant HC is referred to as aQBSS.
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EDCF (Enhanced DCF) IEEE802.11e
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U b i c u Review of DCFo CSMA/CA
o Transmit the frame directly if the medium is found idle for DIFS (DCFInterFrame Space)
o Otherwise, defer the transmission and start the backoff processo Backoff_time = rand[0, CW], CWmin < CW < CWmaxo The backoff timer decreases only when the medium become idle.o Transmit the frame once backoff timer expires
How to provide prioritieso Change the contention window sizenewCW[TC i] = ((oldCW[TC i]) * PF i ) 1PF i is the persistence factor
o Replace DIFS with AIFS (Arbitration InterFrame Space) AIFS[i] = DIFS + TC i
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EDCF IEEE802.11e
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U b i c u CSMA/CA and Exponential Backoff
Eight Traffic Categories (TCs) within one station
TC7
Backoff (AIFS)
TC6
Backoff (AIFS)
TC5
Backoff (AIFS)
TC4
Backoff (AIFS)
TC3
Backoff (AIFS)
TC2
Backoff (AIFS)
TC1
Backoff (AIFS)
TC0
Backoff (AIFS)
High priority Low priority
Scheduler
(resolve virtual collisions by granting permission to highest priority)Transmissionattempt
AIFS:Arbitration Inter-Frame Space
Backoff (AIFS)
Transmissionattempt
DCF
a / 2 0 0 6 - 2
0 0 7
a / 2 0 0 6 - 2
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EDCA parameters for AC IEEE802.11e
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4 access categories ( AC ), AIFS[AC] = SIFS + AIFSN[AC] * aSlotTime , AIFSN[AC] 2.
a / 2 0 0 6 - 2
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EDCA and AC Mapping IEEE802.11e
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HCF superframes IEEE802.11e
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i a
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Performance IEEE802.11e
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Tema 3.- Tecnologas inalmbricas de red
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Redes Inalmbricas y Computacin Ubicua/2006-2007
Redes WLAN: IEEE 802.11o la capa fsicao la capa MACo calidad de servicio: 802.11eo seguridad: WAP y 802.11io MIMO: 802.11no herramientas de gestin
icu
a / 2 0 0 6 - 2
0 0 7
ic u a
/ 2 0 0 6 - 2
0 0 7
Wireless LAN Security Issues
Issue 802.11 WEP Solution
WEP y IEEE802.11i
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Wireless LAN(WLAN)
Wireless sniffer can view all WLANdata packets
Anyone in AP coverage area can geton WLAN
Encrypt all data transmitted betweenclient and APWithout encryption key, user cannottransmit or receive data
Wired LAN
Goal: Make WLAN security equivalent to that of wired LANs (Wired EquivalentPrivacy)
client access point (AP)
icu
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WEP Protection for 802.11b
Wi d E i l t P i
WEP y IEEE802.11i
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U b i c Wired Equivalent Privacyo No worse than what you get with wire-based systems.
Criteria:o Reasonably strong
o Self-synchronizing stations often go in and out of coverageo Computationally efficient in HW or SW since low MIPS CPUs might be
usedo Exportable US export codes (relaxed in Jan 2000 / Wassenaar
Arrangement)o Optional not required to used it
Objectives:o confidentialityo integrityo authentication
icu
a / 2 0 0 6 - 2
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bic u a
/ 2 0 0 6 - 2
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WEP How It Works
Secret key (40 bits or 104 bits)
WEP y IEEE802.11i
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U b i c Secret key (40 bits or 104 bits)o can use up to 4 different keys
Initialization vector (24 bits, by IEEE std.)o total of 64 or 128 bits of protection.
RC4-based pseudo random number generator (PRNG)Integrity Check Value (ICV): CRC 32
IV(4 bytes)
Data (PDU)( 1 byte)
Init Vector(3 bytes)
1 byte
Pad6 bits
Key ID2 bits
Frame header ICV(4 bytes) FCS
icu
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WEP Encryption Process
1)Compute ICV using CRC 32 over plaintext msg
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U b i c Compute ICV using CRC-32 over plaintext msg.2) Concatenate ICV to plaintext message.
3) Choose random IV and concat it to secret key and input it to RC4 toproduce pseudo random key sequence.
4) Encrypt plaintext + ICV by doing bitwise XOR with key sequence toproduce ciphertext.5) Put IV in front of cipertext.
Initialization Vector (IV)
Secret Key
Plaintext
Integrity Algorithm
Seed WEP PRNG
KeySequence
Integrity Check Value (ICV)
IV
CiphertextMessage
bicu
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0 0 7
bic u a
/ 2 0 0 6 - 2
0 0 7
WEP Decryption Process
1) IV of message used to generate key sequence, k.
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2) Ciphertext XOR k original plaintext + ICV.3) Verify by computing integrity check on plaintext (ICV) and
comparing to recovered ICV.
4) If ICV ICV then message is in error; send error to MACmanagement and back to sending station.
IVCiphertext
Secret Key
Message
WEP PRNGSeed
KeySequence
Integrity Algorithm
Plaintext
ICV
ICVICV - ICV
b i c u a
/ 2 0 0 6 - 2
0 0 7
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WEP Station Authentication
Wireless Station (WS) sendsAuthentication Request to Access Point WS AP
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U b Authentication Request to Access Point
(AP). AP sends (random) challenge text T.WS sends challenge response(encrypted T).
AP sends ACK/NACK.
WS AP Auth. Req.
Challenge Text
Challenge Response
Ack
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0 0 7
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WEP Weaknesses
Forgery Attacko Packet headers are unprotected can fake src and dest addresses
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U b o Packet headers are unprotected, can fake src and dest addresses.
o AP will then decrypt data to send to other destinations.o Can fake CRC-32 by flipping bits.
Replayo Can eavesdrop and record a session and play it back later.
Collision (24 bit IV; how/when does it change?)o Sequential: roll-over in < day on a busy neto Random: After 5000 packets, > 50% of reuse.
Weak Keyo If ciphertext and plaintext are known, attacker can determine key.o Certain RC4 weak keys reveal too many bits. Can then determine RC4
base key.
Well known attack described in Fluhrer/Mantin/Shamir paper o Weaknesses in the Key Scheduling Algorithm of RC4 , Scott Fluhrer,Itsik Mantin, and Adi Shamir
o using AirSnort: http://airsnort.shmoo.com/
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War Driving in New Orleans(back in December 2001)
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802.11i Task Group Recommendations
Mutual AuthenticationDynamic Session Key
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U Dynamic Session KeyMessage Integrity Check (MIC)Temporal Key Integrity Protocol (TKIP)
o Per-packet Key Hashingo Initialization Vector Sequencingo Rapid Re-Keying
Future
o Stronger encryption schemes such as AES
Tema 3.- Tecnologas inalmbricas de red
Redes WLAN: IEEE 802 11
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Redes Inalmbricas y Computacin Ubicua/2006-2007
Redes WLAN: IEEE 802.11o la capa fsicao la capa MACo calidad de servicio: 802.11eo seguridad: WAP y 802.11io MIMO: 802.11no herramientas de gestin
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Ways to increase data rate
Conventional single tx and rx radio systemso Increase transmit power
IEEE802.11n
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o Increase transmit power Subject to power amplifier and regulatory limitsIncreases interference to other devicesReduces battery life
o Use high gain directional antennasFixed direction(s) limit coverage to given sector(s)
o Use more frequency spectrumSubject to FCC / regulatory domain constraints
Advanced MIMO: Use multiple tx and / or rx radios!
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Conventional (SISO): Wireless Systems IEEE802.11n
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Conventional Single Input Single Output (SISO) systems were favored for simplicityand low-cost but have some shortcomings:
o Outage occurs if antennas fall into nullSwitching between different antennas can help
o Energy is wasted by sending in all directionsCan cause additional interference to others
o Sensitive to interference from all directionso Output power limited by single power amplifier
channelRadioDSPBits
TX
Radio DSP Bits
RX
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/ 2 0 0 6 - 2
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MIMO Wireless Systems IEEE802.11n
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