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Corso di Protocolli per Reti Mobili

IEEE 802.11n:Enhancements for Higher Throughput

Università di Napoli Federico II – Facoltà di Ingegneria – Corso di Laurea in Ingegneria Informatica

IEEE Std 802.11n

● Nell'ottobre 2009, lo standard IEEE 802.11n ha introdotto nuove funzionalità a livello PHY e MAC per consentire alle HT (High Throughput) STA di raggiungere un throughput di almeno 100 Mb/s (misurato al MAC SAP)

● Una HT STA operante a 5 GHz supporta trasmissione e ricezione secondo IEEE 802.11a

● Una HT STA operante a 2.4 GHz supporta trasmissione e ricezione secondo IEEE 802.11g

● Una HT STA è anche una QoS STA

IEEE Std 802.11n

● Una HT STA supporta l'invio dei seguenti formati di PPDU:– Non-HT format (obbligatorio): formato specificato in

802.11a (OFDM 5GHz) o 802.11g (OFDM 2.4 GHz)– HT-mixed format (obbligatorio): il solo preambolo è

decodificabile da stazioni 802.11a o 802.11g– HT-greenfield format (opzionale): formato non

compatibile con gli standard precedenti

IEEE 802.11nLivello PHY

IEEE Std 802.11n PHY

● Principali caratteristiche del livello fisico:– MIMO (Multiple Input Multiple Output) - OFDM

● Spatial multiplexing– Possibilità di trasmettere su 20 MHz o 40 MHz– Maximum PSDU length: 65535 bytes– Slot Time e SIFS: gli stessi di 802.11a se operante a

5 GHz, gli stessi di 802.11b se operante a 2.4 GHz– RIFS (Reduced IFS): 2 μs

– CWmin

: 15

– CWmax

: 1023

MIMO

● Utilizza più antenne sia in trasmissione che in ricezione, che creano molteplici canali “spaziali”– Spatial multiplexing

● I diversi canali spaziali hanno differenti caratteristiche di propagazione

TX RX

NTX

transmit antenna NRX

receive antenna

MIMO

● Ciascuna antenna TX trasmette un simbolo xi (tutte usano la stessa frequenza)

– Nel complesso trasmettono x = [x1, x2, ..., xNTX]

● Ciascuna antenna RX riceve una (diversa) combinazione di tutti i simboli trasmessi

TX RX

NTX

transmit antenna NRX

receive antenna

MIMO

TX RX

NTX

transmit antenna NRX

receive antenna

[y1

y 2

⋮yN RX

]= H [x1

x2

⋮x N TX

]n H : N RX xN TX

n : rumore

MIMO

● La stazione ricevente deve conoscere le proprietà dei canali (ovvero H)

● Invertita la matrice H può ricavare i simboli trasmessi

● 802.11n usa MIMO-OFDM, per cui una antenna trasmette (allo stesso tempo) un simbolo per ciascun sottocanale OFDM

– Per ogni sottocanale k avremo xk, y

k e H

k

MIMO

● Non c'è ridondanza, nè ci sono accorgimenti per migliorare la ricezione

● Se Nss

= NTX

otteniamo il massimo throughput

0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0

MODUL MODUL MODUL

NSS

spatial streams (<=4)

BPSKQPSK16-QAM64-QAM

Da replicare per ciascunsottocanale

MODUL

Space-Time Block Code (STBC)

● Viene usata una codifica per ottenere trasmissioni più robuste

● STBC è opzionale

0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0

MODUL MODUL MODUL

NSS

spatial streams BPSK

QPSK16-QAM64-QAM

Da replicare per ciascunsottocanale

STBCN

STS ≥ N

SS

space-time streams

Beamforming

● Viene usata per migliorare la ricezione

● Il beamforming è opzionale

● Non richiede STBC

0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0

MODUL MODUL

NSS

spatial streams BPSK

QPSK16-QAM64-QAM

Da replicare per ciascunsottocanale

STBCN

STS ≥ N

SS

space-time streams

Beamforming

Beamforming

● L'operazione di beamforming sostituisce il vettore xk degli N

STS simboli con il vettore Q

kx

k , dove Q

k è una

matrice NTX

xNSTS

● Il vettore ricevuto è yk = H

kQ

kx

k + n

● La matrice Qk può essere costruita opportunamente

(sulla base della conoscenza del canale MIMO) per migliorare la ricezione– può servire o meno feedback esplicito del ricevente

Trasmissioni su canali da 20MHz

● Una HT STA può trasmettere, sia nella banda dei 2.4 GHz che quella dei 5 GHz, utilizzando gli stessi canali (da 20 MHz) definiti da 802.11a e 802.11g

● Nel caso di formato non-HT, vengono utilizzati 52 sottocanali

● Nel caso di formato HT, vengono utilizzati 56 sottocanali

Trasmissioni su canali da 40MHz

● Una HT STA può trasmettere, sia nella banda dei 2.4 GHz che quella dei 5 GHz, utilizzando due dei canali (da 20 MHz) definiti da 802.11a e 802.11g

● Il canale da 40 MHz è formato da un canale principale (da 20 MHz) e da uno secondario (adiacente al primario)– Insiemi di canali utilizzabili intorno ai 5 GHz

● 100, 108, 116, 124, 132● ...

● La banda (40 MHz) viene suddivisa in 128 sottocanali, di cui ne vengono utilizzati 108 per trasmettere dati

Modulation and Coding Schemes

● 802.11n offre una grossa varietà di combinazioni di:– Modulazione– Coding rate

– Numero di spatial streams (NSS

)

● Ciascuna combinazione è identificata da un indice– MCS (Modulation and Coding Scheme)– MCS 0-7 e 32 usano un singolo spatial stream– MCS 8-31 (33-76) usano molteplici spatial stream

con uguale (diversa) modulazione● Ciascun MCS può usare 20 o 40 MHz

Modulation and Coding Schemes

● NSS

= {1,2,3,4}

● NBPSCS

= f(MODUL) ∈ {1,2,4,6} (bit x sottocanale x

spatial stream)

● NSC

= f(BWD) ∈ {52,108} (numero di sottocanali)

● R = coding rate

● NSYMB

= 250.000 simboli per secondo *

● T = NBPSCS

* NSS

* NSC

* R * NSYMB

* opzionalmente si può usare un intervallo di guardia tra simboli più piccolo che fa aumentare N

SYMB

Modulation and Coding Schemes

MCS /BWD NSS

MODUL R T (Mb/s)

0 20 MHz 1 BPSK 1/2 6.5

0 40 MHz 1 BPSK 1/2 13.5

7 20 MHz 1 64-QAM 5/6 65.0

14 20 MHz 2 64-QAM 3/4 117.0

20 40 MHz 3 16-QAM 3/4 243.0

31 20 MHz 4 64-QAM 5/6 260.0

31 40 MHz 4 64-QAM 5/6 540.0

● Introducendo STBC e beamforming il throughput effettivo si riduce

● MCS con indici >15, così come intervalli di guardia ridotti e trasmissioni in 40 MHz, sono opzionali

IEEE 802.11nLivello MAC

IEEE Std 802.11n MAC

● Principali caratteristiche del livello MAC:– Frame aggregation– RIFS– Protection mechanisms– Reverse direction (RD)– Estensioni del meccanismo Block Ack

Frame aggregation

ACKSIFS

DIFS DATA

ACKSIFS

DIFS DATA

ACKSIFS

DIFS DATA1 DATA2 DATA3

+T =

1) B1, R

1

2) B2, R

2

3) B3, R

3

overhead

OH i=T

TBiRi

B2=B1

R2R1

⇒OH 2OH 1

B3= B1

R3=R1

1

⇒OH 3OH 1

NOTA: Il throughput aumenta sia nel caso 2) che nel caso 3) rispetto al caso 1)

MAC service

A-MSDUaggregation

Seq. Numberassignment

Fragmentation*

MPDUencryption

MPDUheader + CRC

A-MPDUaggregation

from LLC

to PHY

A-MSDUde-aggregation

Defragmentation

MPDUdecryption

Duplicateremoval

MPDU header +CRC validation

A-MPDUde-aggregation

to LLC

from PHY

* Una A-MSDU (Aggregate MSDU) non può essere frammentata

A-MSDU aggregation

● È possibile avere coppie di indirizzi DA e SA diverse per ciascuna MSDU, ma tutte queste coppie si devono mappare sulla stessa coppia di indirizzi TA e RA

● Tutte le MSDU di una A-MSDU devono essere ricevute da una stessa STA receiver

● Maximum A-MSDU size: 3839 bytes oppure 7935 bytes

DA SA Length MSDU Padding

6 6 2 0-2304 0-3

A-MSDU subframe 1 A-MSDU subframe 2 … A-MSDU subframe n

A-MSDU

MAC service

A-MSDUaggregation

Seq. Numberassignment

Fragmentation*

MPDUencryption

MPDUheader + CRC

A-MPDUaggregation

from LLC

to PHY

* Una A-MSDU (Aggregate MSDU) non può essere frammentata

MPDU format

● Seq. Number unico per A-MSDU● Il flag A-MSDU Present nel campo QoS Control indica

la presenza di una A-MSDU nel Frame body● Il campo HT Control contiene informazioni/richieste utili

per calibrare le trasmissioni a livello PHY● Il campo Address 3 è diverso se c'è una A-MSDU

A-MSDU

FrameControl

Duration/ ID

Address1

QoSControl

Framebody

oppure

Address2

Address3

SequenceControl

Address4

HTControl FCS

MSDU oppure MSDU Fragment

MPDU Eventualmente crittografate

Frame dati verso l'APTo DS From DS Address 1 Address 2 Address 3 Address 4

MSDU A-MSDU

1 0 RA = BSSID TA = SA DA BSSID N/A

SA

DA 2

AP

DS

BSS

Ciascuna MSDU in una A-MSDU può avere un differente DA

DA 1

Frame dati dall'APTo DS From DS Address 1 Address 2 Address 3 Address 4

MSDU A-MSDU

0 1 RA = DA TA = BSSID SA BSSID N/A

SA 1

SA 2

AP

DS

BSS

Ciascuna MSDU in una A-MSDU può avere un differente SA

DA

MAC service

A-MSDUaggregation

Seq. Numberassignment

Fragmentation*

MPDUencryption

MPDUheader + CRC

A-MPDUaggregation

from LLC

to PHY

* Una A-MSDU (Aggregate MSDU) non può essere frammentata

A-MPDU aggregation

● Tutti gli MPDU in una A-MPDU:

– devono essere indirizzati allo stesso RA– hanno lo stesso valore di Duration/ID (il punto di

riferimento è la fine del PPDU che li trasporta)– non contengono frammenti di MSDU

● Maximum A-MPDU size: 65535 bytes● Una A-MSDU che eccede 4095 bytes non può essere

trasportata in una A-MPDU

Reserved Length CRC Delimiter MPDU

4 0-4095 0-3

Padding

A-MPDU subframe 1 A-MPDU subframe 2 … A-MPDU subframe n

A-MPDU

Reduced InterFrame Space

● L'intervallo RIFS (< SIFS) è stato introdotto per ridurre l'overhead ed incrementare l'efficienza

● RIFS può essere usato al posto di SIFS per separare molteplici trasmissioni di un singolo trasmettitore– quando non è attesa la trasmissione di una risposta

separata da un tempo SIFS● Due frame separate da RIFS devono

necessariamente essere di tipo HT PPDU

Meccanismi di protezione

● Il livello PHY introduce un ulteriore livello di incompatibilità tra le stazioni

● Ogni stazione (eccetto l'AP) sceglie la modalità STBC oppure non-STBC per le frame di controllo– Scarta le frame di controllo trasmesse nell'altra

modalità● Per risolvere i problemi derivanti, l'AP può usare il

meccanismo dual CTS protection

STBC TX station

La frame CTS-to-AP serve ad evitare che le stazioni STBC che ascoltano RTS ma non CTS resettino il proprio NAV e comincino a trasmettere prima di TX

Non-STBC TX station

La frame CTS-to-AP serve ad evitare che le stazioni non-STBC che ascoltano RTS ma non CTS resettino il proprio NAV e comincino a trasmettere prima di TX

Reverse Direction (RD) protocol

● Una stazione che ha acquisito una TXOP può concedere il diritto di trasmettere una o più PPDU ad un'altra stazione (RD responder)

● L'RD respondere può soltanto inviare frame il cui RA sia l'indirizzo dell'RD initiator

● Un RD initiator può includere molteplici scambi RD all'interno della propria TXOP

HT-immediate Block Ack

● Lo standard 802.11n definisce un'estensione per il meccanismo Block Ack che ne semplifica l'uso con frame A-MPDU

● Cambia la gestione del buffer del ricevente in modo da ottimizzarne l'uso con A-MPDU

● Le A-MPDU vengono riscontrate normalmente con una frame di tipo Block Ack

Additional frames

● Il livello MAC di IEEE 802.11n prevede nuovi tipi di frame (o nuovi campi all'interno delle frame di management) per lo scambio di informazioni necessarie per la tecnica MIMO– Sounding PPDU per consentire alla stazione

ricevente di stimare il canale– Se una stazione usa la tecnica del beamforming,

deve eseguire una procedura di calibrazione● La stazione ricevente può inviare un feedback esplicito

– Scambio di informazioni per la selezione delle antenne

Riferimenti

● IEEE Std 802.11n– Capp. 6, 7, 9, 20

● Wi-Fi Alliance white paper– http://www.wi-fi.org/knowledge_center_overview.php

?docid=4590