Les mécanismes de base de 802.11 et les propositions de 802.11e pour la QoS Fady FARA H
Mar 20, 2016
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Agenda
> Mode de fonctionnement des WLAN > Mécanismes MAC 802.11> Limites de 802.11 pour la QoS> 802.11e et les nouveaux mécanismes
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Mode de fonctionnement des WLAN (1/2)
Mode infrastructure
BSS : Basic Set Services
AP : Access Point
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Mode de fonctionnement des WLAN (2/2)
Mode ad hoc
IBSS : Independant BSS
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Agenda
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Mécanismes MAC 802.11 (1/31)
> 2 Fonctions d ’accès• Distributed Coordination Function (DCF)• Point Coordination Function (PCF) seulement en mode
infrastructure> Economie d ’énergie> Fragmentation> Authentification> Cryptage WEP
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Mécanismes MAC 802.11 (2/31)
Distributed Coordination Function (DCF)
> Accès CSMA: Si le canal est libre, émission, sinon attente de libération du canal
> Détection de Collision: mécanisme ACK> Évitement de collision: mécanismes Backoff, RTS/CTS, NAV> Retransmission en cas de collision: Backoff> Inter trames différentes pour accès : DIFS, SIFS> Fonction mandatory
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Mécanismes MAC 802.11 (3/31)
Distributed Coordination Function (DCF)
> Mécanisme Backoff avant émission:• Nombre aléatoire N tiré dans une fenêtre [0, CWmin] • N = nb de time slots pendant lesquels le canal doit être libre
=> évite la synchronisation de stations en attente
> Mécanisme de Backoff en cas de retransmission:• CWmin est doublé (sauf s ’il a atteint Cwmax)• N est tiré dans [0, nouveauCWmin]• Le nombre de retransmissions est limité
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Mécanismes MAC 802.11 (4/31)
Distributed Coordination Function (DCF)
> Mécanisme NAV:• Chaque station possède Network Allocation Vector qui
contient durée de l ’échange en cours• Toutes trames contiennent un champ durée => mettre à jour
le NAV• Station ne peut émettre que si son NAV est a zéro• NAV est décrémenté dans le temps
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Mécanismes MAC 802.11 (5/31)
Distributed Coordination Function (DCF)
> Mécanisme NAV:
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Mécanismes MAC 802.11 (6/31)
Distributed Coordination Function (DCF)
> Mécanismes RTS/CTS et nœud caché• Station qui veut émettre envoi Request To Send• Récepteur doit répondre Clear To Send• Toutes les stations à portée de l ’émetteur ou du récepteur
sont prévenues=> elles mettent à jour leur NAV et le problème du nœud
caché est résolu=> permettent détection de collision plus rapide car courtes
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Mécanismes MAC 802.11 (7/31)
Distributed Coordination Function(DCF)
> Mécanisme RTS/CTS et nœud caché
Station1
Station2
Station3
• Station 1 et 3 ne se voient pas
• Chacune croit le canal libre
• Et émet vers 2
Collision
Trame Trame
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Mécanismes MAC 802.11 (8/31)
Station1
Station2
Station3
• Station 1 et 3 ne se voient pas
• Toutes voient Station 2
• Stations 1 et 3 veulent parler à 2
RTS
RTS
• Station1 envoi RTS à 2
• Station3 ne reçoit pas RTS
CTS
• Station2 répond à 1 par CTS
• Station3 reçoit CTS (NAV)
• Le canal est réservé pour 1 et 2
Distributed Coordination Function (DCF)
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Mécanismes MAC 802.11 (9/31)
Distributed Coordination Function (DCF)
> Mécanismes RTS/CTS et nœud caché
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Mécanismes MAC 802.11 (10/31)
Distributed Coordination Function (DCF)
> Inter trames?• Durée pendant laquelle le canal doit être libre • Distributed Inter Frame Space (DIFS) => utilisée avant
backoff pour émission ou ré-émission • Short Inter Frame Space (SIFS) => utilisée avant de répondre
à une station par un ACK
DIFS
SIFS
= 50 µs DSSS
= 10 µs pour DSSS
SIFS donne
une priorité
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Mécanismes MAC 802.11 (11/31)
Distributed Coordination Function (DCF)
> Echange en DCF
Station1
Station2
trame3
trame3
Station3 Ack1
DIFS
DIFS
SIFS
DIFS
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Mécanismes MAC 802.11 (12/31)
Point Coordination Function (PCF)
> 2 périodes = 1 super trame• Contention Period (CP) => accès DCF• Contention Free Period (CFP) => accès PCF (AP = PC)
> Interrogation des stations par PC: polling list> Mécanismes identiques à DCF : ACK, NAV, retransmission> Inter trames différentes: PIFS, SIFS> Fonction optionnelle mais seulement en mode avec AP
CFP CP
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Mécanismes MAC 802.11 (13/31)
Point Coordination Function (PCF)
DCF
PCF
Pendant CPPendant CFP
Option en
mode AP
Base en
mode ad hoc
ou AP
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Mécanismes MAC 802.11 (14/31)
Point Coordination Function (PCF)
> CFP périodique, débute avec beacon DTIM et durée bornée
NAV NAV
PCF PCFB B
Intervalle sans
contention
Intervalle à
accès libre
occupé
Période de l ’intervalle CFPintervalle CFP raccourci
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Mécanismes MAC 802.11 (15/31)
Point Coordination Function (PCF)
> Polling list• Inscription sur la polling list lors de l’association avec AP
(stations pollables)• Stations interrogées successivement pendant CFP (AP envoi
trame CF_Poll) selon ordre association• AP peut interroger une station et acquitter données d ’une
autre dans même trame : piggybacking
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Mécanismes MAC 802.11 (16/31)
Point Coordination Function (PCF)
> Inter trames?• Point Inter Frame Space : utilisée par AP avant envoi beacon
début CFP, pour reprendre le canal pendant CFP (si un ACK est perdu)
• SIFS: utilisée pour chaque envoi de trame pendant CFP=> PIFS permet à AP de démarrer CFP
PIFSSIFS
= 30 µs pour DSSS= 10 µs pour DSSS
PIFS donne
une priorité sur DIFS
DIFS = 50 µs pour DSSS
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Mécanismes MAC 802.11 (17/31)
Point Coordination Function (PCF)> Echange en PCF
SIFSD1+Poll
Da + Ack
Ack+PollSIFS
SIFS SIFSAck
SIFS
B End
CPCFP
NAV
PIFS
Ap voit le medium libre pendant PIFS Ap envoi le beacon de début CFP Les stations mettent à jour NAV AP envoi donnée à station1 et l ’interroge Station1 envoi données à AP et acquitte réception Station2 n’a pas de données à envoyer AP annonce fin CFP, les stations mettent NAV=0
Stations
AP
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Mécanismes MAC 802.11 (18/31)
Point Coordination Function (PCF)
> Echanges en PCF
SIFSD1+Poll D2+Poll
SIFS Ack
SIFS
B End
PIFS PIFSCP
NAV
CFP
Ap ne reçoit pas ACK de station1 après SIFS,
donc reprend le contrôle du canal après PIFS
et continue son polling
AP
Stations
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Mécanismes MAC 802.11 (19/31)
Point Coordination Function (PCF)
> Echanges en PCF
Station1
Station2 Station3
APPoll
Data pour station 2
Ack pour station1, Data de station1 et Poll
Ack et Data pour station4
Ack pour station2
et Poll
Station4 non pollable
1 321 2 3
Data de station2Ack
Interrogations
Ack
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Mécanismes MAC 802.11 (20/31)Econonomie d ’énergie
> En mode infrastructure• Station PS indique son mode par bit de header Mac et AP
conserve messages pour elle• Station en PS mode => réveil périodique pour recevoir un
beacon TIM (Traffic Information Map) / DTIM (Delivery)• En CP, station peut réclamer ses trames (PS_POLL) si le bitmap
TIM indique du trafic pour elle. • En CFP, reste éveillée jusqu’à réception• Bit More Data entête MAC indique si reste trafic
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Mécanismes MAC 802.11 (21/31)Econonomie d ’énergie
> En mode infrastructure
DTIM annonce aux stations le trafic broadcast/multicastTIM annonce aux stations trafic unicast
DTIMTIM TIM TIM TIM TIM TIM
DTIM DTIM DTIM
beacons
Début CFP Début CFPCFP CP
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Mécanismes MAC 802.11 (22/31)Econonomie d ’énergie
Station
Demande si CP Attend si CFP
1Trames attente? 1 0Station PS 1 4 5
TIM=bitmap
A du trafic en attente Pas de trafic en attente
Retourne en PS
AP
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Mécanismes MAC 802.11 (23/31)Econonomie d ’énergie
> En mode ad hoc• station source conserve messages pour station en PS mode et
lui annonce son trafic lors fenêtres ATIM• ATIM window => après beacons, les stations se réveillent et
attendent ATIM pendant cette fenêtre au max (taille dans beacons)
• Station réveillée doit acquitter ATIM et reste éveillée pour recevoir ses trames (ATIM retransmis par source si pas acquittées)
• Trames broadcast ou multicast => ATIM concernant ces trames sont envoyées avant et ne doivent pas être acquittés (le trafic est envoyé tout de suite après)
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Mécanismes MAC 802.11 (24/31)Fragmentation
> Utile si support pas fiable pour longues trames
NAV
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Mécanismes MAC 802.11 (25/31)
Authentification
> Trames authentification request/response> 2 modes:
• open system• shared key
> Element status permet dire si authentifieur accepte ou refuse
> Authentifieur = AP (infrastructure)/station (ad hoc)
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Mécanismes MAC 802.11 (26/31)
Authentification
> Open system
Authentifieur vérifie uniquement que le client est dans le même
mode
AP ou stationAuthentification request1
Authentification response2
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Mécanismes MAC 802.11 (27/31)
Authentification
> Shared key
Authentifieur vérifie que client a la même clé
AP ou stationAuthentification request1
Challenge text string2
Text encrypted with shared key3
Response based on challenge4
WEP key WEP key
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Mécanismes MAC 802.11 (28/31)
Cryptage Wired Equivalent Privacy (WEP)
> Clé symétrique secrète (40 bits, wifi ou 104 bits non standard) combinée à vecteur d’initialisation (IV de 24 bits) différent par trame
> Est indiqué dans l’entête MAC (qui, elle, n’est pas cryptée) par un bit WEP
> Utilisation est recommandée pour un minimum de sécurité
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Mécanismes MAC 802.11 (29/31)
Cryptage Wired Equivalent Privacy (WEP) > Cryptage
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Mécanismes MAC 802.11 (30/31)
Cryptage Wired Equivalent Privacy (WEP) > Décryptage
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Mécanismes MAC 802.11 (31/31)
Cryptage WEP
> Limites du WEP : • Clé statique (pas d ’utilitaire pour changer)• Initialisation Vecteur (24 bits) en clair => seulement 224 graines
pour RC4 car clé statique donc 16.777.216 Sequence Key • Integrity Check Value linéaire donc faible => possibilités de
changer des bits dans données et de changer ICV pour qu ’il soit correct
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Agenda
> Mode de fonctionnement des WLAN > 802.11 couche MAC> Limites de 802.11 pour la QoS> 802.11e et les nouveaux mécanismes
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Limites de 802.11 pour la QoS (1/2)
Problèmes liés à DCF
> Best Effort => aucune garantie> Pas de priorité pour stations se disputant accès au canal > L ’accès à Contention cause des collisions, des pertes et
engendre des délais variables , ces problèmes augmentent avec le nombre de stations
> Lorsqu’une station prend le canal, elle peut émettre une trame qui peut être de longueur variable => pas de contrôle sur temps d ’occupation
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Limites de 802.11 pour la QoS (2/2)
Problèmes de PCF
> Coexistence avec DCF : si au moment de commencer CFP, le canal occupé, on attend et CFP est rétréci => pas d ’accès périodique pour les stations de la polling liste
> Lorsque AP donne la parole, station peut émettre une trame plus ou moins longue => pas de contrôle sur les temps de parole et pas de garantie d ’accès périodique
> Méthode interrogation round robin pas efficace pour différenciation de trafic
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802.11e et les nouveaux mécanismes (1/24)
> 1 seule fonction d ’accès : • Hybrid Coordination Function (HCF)
– Améliorations de DCF => EDCF (pendant CP)– Amélioration de la méthode de Polling (pendant CP ou CFP)
seulement en mode infrastructure
> Direct Link Protocol> Block Acknowledgement Mechanism> Economie d ’énergie
(Etude Basée sur le draft IEEE 802.11e de février 2003)
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802.11e et les nouveaux mécanismes (2/24)Hybrid Coordination Function
Mode ad hoc :
EDCF seulement
Mode infrastructure : 2 possibilités
EDCF+Polling
EDCF seulement
(PCF inclus dans polling donc compatibilité 802.11)
Polling EDCF
DCF
Pendant
CFP ou CP
Pendant
CP
HCF
PCF
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802.11e et les nouveaux mécanismes (3/24)Hybrid Coordination Function
> 2 types de trafic supportés selon Traffic IDentifier• trafic avec priorités => TID de 0 à 7 (tag 802.1d) • trafic paramétré => TID de 8 à 15 (on parle de TSID)
> 2 méthodes d ’accès au canal:• Accès compétition ou Enhanced DCF => priorités• Polling par AP (mode infrastructure) appelé Hybrid Coordinator
(HC) => trafic paramétré> Opportunités transmission et bursting
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802.11e et les nouveaux mécanismes (4/24)Hybrid Coordination Function
> Enhanced DCF• Trafic arrive avec TID de 0 à 7 => définit des Traffic Category
(TC) dans une même station• TC sont mappés dans 4 files : Access Category (AC)• Chaque AC fait DCF avec des paramètres différents
– Inter trames (DIFS en DCF, AIFS[AC] en EDCF)– taille fenêtre backoff (Cwmin[AC], Cwmax[AC])– augmentation de fenêtre backoff propre (Cw x PF[AC])=> permet de garantir un accès suivant les priorités
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802.11e et les nouveaux mécanismes (5/24)Hybrid Coordination Function
> Enhanced DCF mapping
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802.11e et les nouveaux mécanismes (6/24)Hybrid Coordination Function
> Enhanced DCF : • deux AC dans une même station
AC2 backoff
AC1 backoff
trame
trame
Fin échange précédentCanal libre
AIFS[AC2]<AIFS[AC1], Cwmin[AC2]<Cwmin[AC1]
AC2 prioritaire
AIFS[AC1]
AIFS[AC2]
AIFS[AC2] AIFS[AC1]
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802.11e et les nouveaux mécanismes (7/24)Hybrid Coordination Function
> Enhanced DCF• deux AC dans même station• file i prioritaire sur j
AIFS[i]
AIFS[j]0 CW[i] CW[j]
Fenêtres backoffCwmin[i]<Cwmin[j]
Cwmax[i]<Cwmax[j]
Canal occupé
j
i
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802.11e et les nouveaux mécanismes (8/24)Hybrid Coordination Function
> Enhanced DCF• En cas de collision entre deux AC dans même station, un
scheduler donne le canal au TC prioritaire et autre TC fait une retransmission
• Les AC se comportent comme des stations virtuelles au sein d’une même station
• Chaque AC est une variante de DCF
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802.11e et les nouveaux mécanismes (9/24)Hybrid Coordination Function
> Accès Polling : Négociation trafic• Trafic contient un TID de 8 à 15 => négocier paramètres
requis par l’application • Paramètres : débit, temps supportable entre deux émissions,
délais supportés, longueur nominales trames...• Négociation avec HC (scheduler dans HC) par trames Action • Création flux (logique) pour une application si négociation OK
=> traffic stream (TS)
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802.11e et les nouveaux mécanismes (10/24)Hybrid Coordination Function
> création Traffic Stream (uplink/downlink)• TS a une direction => 2 TS pour uplink et downlink (initié par
la station)
SchedulerMAC layer
MAC layer
QoS Station
QoS AP
Trafic with TID=8…15
TSPEC Status
ADDTS request
ADDTS response
TSPEC
Schedule elt
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802.11e et les nouveaux mécanismes (11/24)Hybrid Coordination Function
> Accès Polling : • HC fait polling aux instants prévus pendant négociations• Traffic stream => interrogations périodiques • Polling pendant CP ou CFP• Polling de stations non-QoS possible (compatibilité) pendant
CFP• Prise contrôle canal par HC pour polling en utilisant PIFS
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802.11e et les nouveaux mécanismes (12/24)Hybrid Coordination Function
> Transmission Opportunities (TXOP)• Période prédéfinie pendant laquelle station a droit émission• Obtenu par accès EDCF => EDCF-TXOP
– durée dépend de AC et est donnée dans les beacons ou probe req• Par Polling des TS => Polled-TXOP (durée dans CF_Poll)• Protégé par NAV et ne doit jamais être dépassé• Si une station n ’a pas de temps dans TXOP ou a fini émission,
envoi trame QoS Null (avec soit queue=0 soit durée = durée nécessaire -> demande TXOP plus long)
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802.11e et les nouveaux mécanismes (13/24)Hybrid Coordination Function
> Contention Free Burst (CFB)• mécanisme consistant à émettre plusieurs trames pendant
TXOP (EDCF bursting pour EDCF-TXOP)
EDCF-TXOP
Data1 Data2 Data3
SIFS SIFS SIFS SIFS
AckAck
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802.11e et les nouveaux mécanismes (14/24)Hybrid Coordination Function
> EDCF-TXOP et CFB
ACi backoff
Autres stations
Canal libre
NAV
Durée TXOP Limit contenue dans les beacons ou probe response
D1
SIFS
D2
EDCF-TXOP
AIFS[ACi]
SIFS
ACKAP
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802.11e et les nouveaux mécanismes (15/24)Hybrid Coordination Function
> EDCF-TXOP et CFB
ACi backoff
Autres stations
Canal libre
NAV
D1 n ’est pas acquitté par HC, retransmission après PIFS
EDCF-TXOP
…...AIFS[ACi] D1 D1
PIFS
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802.11e et les nouveaux mécanismes (16/24)Hybrid Coordination Function
> EDCF-TXOP et CFB
AP
Autres stations
Canal libreEDCF-TXOP
D1 et D2 ne sont pas forcément destinés à la même station
Les stations recevant des données devant être acquittées envoient ACK
…...
NAV
Slot
time
PIFS D2
SIFS
D1
ACK
SIFS
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802.11e et les nouveaux mécanismes (17/24)Hybrid Coordination Function
> Polled-TXOP et CFB
AP
Station interrogée
Canal libre
Poll
D1
Polled-TXOP
SIFS
ACK
SIFS
Station utilise champs QoS Control de QoS CF_Ack si veut changer ses besoins
SIFS
PIFS D2 +ACK
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802.11e et les nouveaux mécanismes (18/24)Direct Link Protocol
> En mode infrastructure, 2 stations peuvent se parler directement (sans passer par AP)
> Initialisation du Direct Stream par une station et passe par AP => gestion Power Saving mode
> Une fois le lien créé, les stations communiquent directement et l’initiateur peut tester ce lien
> Si lien inactif pendant timeout, trafic repasse par AP
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802.11e et les nouveaux mécanismes (19/24)Direct Link Protocol
Station1 Station2
APDLP request
-@mac stations,
-capabilities,
-supported rates
DLP request
-@mac stations,
-capabilities,
-supported ratesDLP response
-@mac stations
-capabilities
- supported rates
- status
DLP response
-@mac stations
-capabilities
- supported rates
- status
DLP Probes
Timeout
Si une station ne reçoit rien pendant timeout, direct stream terminé
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802.11e et les nouveaux mécanismes (20/24)Block Acknowledgement
> Possibilité d’agréger les ACK pour plusieurs trames > Toutes les trames du bloc sont séparées par SIFS> Lorsque émission terminée, source demande ACK> Initialisation par demande au récepteur qui accepte (dit la
taille des buffers alloués) ou refuse; fin si plus utile, ou après timeout sans réception
> Signalé par Ack policy de header des trames QoS
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802.11e et les nouveaux mécanismes (21/24)Block Acknowledgement
> Block Ack contient un bitmap qui liste les trames reçues> Toute trame non reçue est réémise> Une station ayant initialisé le mécanisme peut utiliser Ack
normal (indiqué dans champ Ack policy QoS control) puis repasser en mode par bloc
> Block Acknowledgement peut être « immediate » ou « delayed »
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802.11e et les nouveaux mécanismes (22/24)Block Acknowledgement
> immediate
HC
Originator
Recipient
Data Block
Exchange
TXOP Limit
NAV Reservations
HC
Originator
RecipientAck Policy = Block Acknowledgement
Block AckExchange
TXOP Limit
NAV Reservations
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802.11e et les nouveaux mécanismes (23/24)Block Acknowledgement
> delayed
HC
Originator
RecipientAck Policy = Block Acknowledgement
Exchange
TXOP Limit
NAV Reservations
NAV Reservations
HC
Originator
Recipient
Data BlockBlock AckExchange
TXOP Limit
NAV Reservations
NAV Reservations
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802.11e et les nouveaux mécanismes (24/24)Economie d ’énergie
> mécanismes supplémentaires• Station prévient HC qu ’elle veut faire économie d ’énergie
lors (ré)association ou par trame APSD QoS Action => contiennent wakeup period de la station
• Station PS indique son mode par bit de header Mac et AP conserve messages (avec les priorités et ordre d ’arrivée)
• Station en PS mode => réveil périodique pour recevoir (D)TIM et reste éveillée si message pour elle
• Station ayant un TS reçoit ses trames lors du Service
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802.11e et les nouveaux mécanismes
Hybrid Coordination Function
> TSPEC ?• Nominal/Max MSDU size• Min/Max service interval • Inactivity Interval• Min/Mean/Min PHY/Peak data rate• Delay Bound=> permet au scheduler de HC de calculer un Schedule
element et de répondre oui/non/propose alternative à station
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802.11e et les nouveaux mécanismes
Hybrid Coordination Function
> Schedule element ?• Min/Max Service Interval• Min TXOP duration• Max TXOP duration• Specification Interval=> indique à station quand elle sera interrogée si un TS est créé
hhhhhhh