Criteri ed Algoritmi di Channel Sensing e Resource Allocation applicabili a reti Wi-Fi IEEE 802.11

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U

NIVERSITÀ DI

P

ISA

D

IPARTIMENTO DI

I

NGEGNERIA DELL

’I

NFORMAZIONE

T

ESI

M

AGISTRALE IN

I

NGEGNERIA DELLE

T

ELECOMUNICAZIONI

C

RITERI ED ALGORITMI DI

C

HANNEL

S

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E

R

ESOURCE

A

LLOCATION APPLICABILI A

RETI

W

I

-F

I

IEEE 802.11

Autore

Alessio Benetelli

Relatori :

Prof. Marco Luise

Prof. Luca Sanguinetti

Ing. Carmine Vitiello

Pisa, Febbraio 2018 2016-17

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Abstract

In questa tesi sono stati implementati algoritmi di channel sensing e di resource allocation compatibili per comunicazioni IEEE 802.11g. L’obiettivo e’ stato quello di migliorare le performance in condizio-ni di forte interferenza e, nel caso di trasmissiocondizio-ni outdoor in mobilita’, in condiziocondizio-ni di propagazione fortemente affette da fading. Lo standard, infatti, si limita a fornire delle specifiche sulla potenza in trasmissione e sull’occupazione della banda in un contesto di trasmissione indoor ideale. Il meccanismo di channel sensing CSMA-CA ha il solo compito di regolare l’accesso al mezzo, rivelando se il cana-le di trasmissione sia occupato da una comunicazione in atto, ovvero minimizzando la probabilita’ di collisione sul canale. Le performance delle comunicazioni 802.11g possono essere migliorate sfruttan-do il channel sensing, oltre che per rilevare l’eventuale presenza di comunicazioni, anche per ricavare un’ indicazione istantanea o statistica delle condizioni di canale in termini di rapporto segnale rumore interferenza (SINR). Gli algoritmi di channel sensing sono stati testati su scenari reali mediante l’u-tilizzo di piattaforme software defined radio Universal Software Radio Peripheral (USRP). Sfruttando le informazioni sulle condizioni di canale ricavate dal nuovo meccanismo di sensing, e’ stato possibile applicare algoritmi di resource allocation per allocare efficacemente il numero di bit per sottoportante, attraverso l’utilizzo di un algoritmo iterativo di tipo greedy, e la potenza con cui trasmetterli. Riguardo l’ allocazione di potenza sono stati implementati e comparati l’algoritmo di water filling e l’algoritmo di max−min fairness, i quali hanno consentito rispettivamente di massimizzare la capacita’ del sistema e di minimizzare la potenza complessiva soddisfando determinati requisiti di trasmissione.

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List of Figures

2.1 Livello Fisico e Livello Mac 802.11g . . . 6

2.2 Frame di Livello Fisico 802.11g . . . 7

2.3 Parametri di trasmissioni per 802.11g (a) . . . 8

2.4 Parametri di trasmissioni per 802.11g (b) . . . 9

2.5 Durata simboli . . . 10

2.6 Rate . . . 10

2.7 Scrambling . . . 11

2.8 Encoding . . . 11

2.9 Costellazioni . . . 13

2.10 Operazioni in trasmissione e ricezione . . . 14

2.11 Maschera di trasmissione a 20 MHz . . . 14

2.12 Basic Service Set e Distribution System . . . 15

2.13 Formato della Trama Mac . . . 16

2.15 ClearTo Send . . . 17

2.14 Request To Send . . . 17

2.16 Acknowledgement Frame . . . 17

2.17 IFS . . . 19

2.18 Contention Window . . . 20

2.19 CS Virtuale e Intervalli temporali . . . 21

2.20 Funzionamento RTS-CTS-NAV . . . 22

2.21 Tempo di trasmissione stimato per ACK . . . 23

3.1 Schema a blocchi Ericsson . . . 27

3.2 Power Allocattion Ericsson . . . 29

3.3 Moduli logici broadcom . . . 30

3.4 Schema a blocchi Broadcom . . . 31

3.5 Algoritmo Ofra . . . 32

3.6 Channel Estimation OFRA . . . 32

3.7 Feedback frame . . . 33

3.8 Rate e Contatori . . . 35

3.9 Confronto ARF AARF RBAR . . . 35

3.10 Confronto Algoritmi . . . 36

3.11 Cara . . . 37

3.12 Algoritmi di Resource Allocation . . . 40

3.13 Confronto tra le tipologie di algoritmi . . . 40

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4.2 Prefisso ciclico . . . 45

4.3 Supporti al Lavoro di Tesi . . . 46

4.4 Confronto Ber con modulazione BPSK, QPSK e QAM . . . 49

4.5 Confronto Ber vs rayleigh e Risposta in frequenza dei canali . . . 51

4.6 Confronto tra BER con e senza Mapping, caso BPSK . . . 52

4.7 Canali Wi-Fi . . . 53

4.8 Primo approccio al Channel Sensing . . . 55

4.9 Valutazione del Profilo di Rumore ed Interferenza . . . 56

4.10 Interferente 802.11g . . . 57

4.11 Canali Wi-Fi . . . 57

4.12 Strumenti utilizzati per la Ricezione . . . 58

4.13 Sensing dell’Interferenza sulla banda a 2.4 GHz . . . 59

4.14 Sensing su Bande a 10 MHz . . . 59

4.15 Potenza interferente su sottoportanti dati e pilota . . . 60

5.1 Scenari di Simulazione: alta, media e bassa interferenza . . . 62

5.2 Allocazione di Potenza con wf classico negli scenari di alta,media e bassa interferenza . 63 5.3 Confronto tra WF classico e a sottobande: caso alta interferenza . . . 64

5.4 Confronto tra WF classico e a sottobande: caso media interferenza . . . 64

5.5 Confronto tra le capacita’ ottenute da WF classico e a sottobande nei diversi scenari . . . 64

5.6 Pseudocodice dell’algoritmo di Bit and Power Loading . . . 66

5.7 Allocazione di Potenza con Bit and Power Loading negli scenari interferenti . . . 67

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(12)

CHAPTER

1

Introduzione

Le condizioni di propagazione caratterizzate da multipath che possono sperimentarsi sia in trasmissioni indoor che outdoor, unita a rigidi vincoli sulla potenza in trasmissione permessi dalle normative e alla scarsita’ di banda, rendono sempre attuale lo studio di strategie di allocazione risorse, in termini di bit e di potenza trasmissiva, per gli utenti di un sistema di comunicazione. Inoltre, su alcune porzioni dello spettro, note come bande ISM, e’ permessa la trasmissione a telefoni cordless, device bluetooth e a dis-positivi near field comunication, che insistono sugli stessi canali di altri disdis-positivi wireless, causando un livello di interferenza tale da ridurre le prestazioni in termini di throughput, efficienza spettrale e ab-bassamento del livello di bit error rate.

La nostra attenzione si e’ concentrata sul sistema IEEE 802.11. Questo sistema di comunicazione wireless rientra in quella categoria le cui prestazioni possono essere fortemente degradate dal fading dovuto alle condizioni di canale multipath tra trasmettitore e ricevitore, da attenuazioni dovute a zone d’ombra del segnale, interferenze causate da altri standard di comunicazione presenti sulla solita banda, oppure, piu’ semplicemente, interferenze causate da altri device 802.11. Per migliorare le performance pur rispettando le normative e le indicazioni dello standard, e’ quindi necessario avvalersi di un trasmet-titore e di un ricevitore che possano adattare le proprie interfacce radio alle caratteristiche tempo varianti dell’ambiente in cui operano.

Lo standard IEEE 802.11 definisce un insieme di release per la trasmissione che impiegano diverse tecnologie di livello fisico che si differenziano anche per il data rate raggiungibile. In particolare la re-lease 802.11 g, standardizzata nel 2003, e’ basata su tecnica di trasmissione di tipo OFDM e permette di lavorare su una banda centrata attorno ai 2.4 GHz fornendo una velocita’ teorica fino a 54 Mb/s. Questo tipo di modulazione e’ stata scelta per proporre soluzioni efficienti grazie alla resistenza intrinseca a fenomeni selettivi in frequenza e alla flessibilita’ che permette di introdurre, nei sistemi cosi implemen-tati, una strategia di allocazione risorse che puo’ variare da subcarrier a subcarrier.

Gli studi effettuati in questa tesi sono stati fatti nell’ottica di migliorare le prestazioni di una rete wifi 802.11 g estendendo lo standard anche a trasmissioni di tipo outdoor caratterizzate da un alto livello di interferenza e da canali multipath in previsione di uno sviluppo futuro in scenario mobile. E’ stato mantenuto uno stretto legame con lo standard per quanto riguarda il problema del medium sensing ma

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sono state introdotte delle modifiche sul tipo di indicazione dello stato di canale.Tale standard addotta un protocollo di accesso al mezzo chiamato CSMA/CA che permette di conoscere la presenza di altri utenti impegnati in una comunicazione sul mezzo e, mediante una tecnica di collision avoidance, randomizza l’accesso al mezzo per gli utenti che vogliono comunicare.

In questa tesi viene proposto di migliorare le informazioni sul canale di propagazione per l’utente. E’ possibile infatti ottenere un livello di informazione istantaneo o statistico sulle condizioni del mezzo, in termini di rapporto segnale rumore inteferenza (SINR). Tramite l’ausilio di software defined radio universal software radio peripheral (USRP) e’ stato possibile compiere un’operazione di channel sensing in presenza di interferenti 802.11g reali ottenendo un’indicazione sul valor medio del rapporto segnale rumore interferenza su diverse porzioni di banda. Lo standard 802.11g presenta il funzionamento di tale tecnologia in un contesto ideale, caratterizzato cioe’ da trasmissioni indoor dove trasmettitore e ricevi-tore sono in Line of Sight e il canale di propagazione non e’ affetto da alcun fenomeno di fading o di interferenza.

L’allocazione di risorse, in termini di bit e di potenza, e’ di tipo uniforme. Su tutta la banda a dis-pozione l’utente puo’ trasmettere lo stesso numero di bit su tutte le sottoportanti e puo’ allocare su ogni sottoportante un quantitativo di potenza uniforme tale da non superare le soglie prescritte dalle norma-tive. Dato che sulle subcarrier vengono caricati un numero diverso di bit, e’ necessario prevedere un meccanismo di allocazione di potenza tale da regolare il livello di potenza sulle subcarrier con maggiore granularita’ sulla base delle informazioni ottenute dallo stato di canale. Molti studi in questi anni sono stati effettuati in letteratura sulle performance ottenute dalle principali strategie di Resource Allocation, tutte sono caratterizzate da un’operazione di massimizzazione di una metrica che tiene conto delle infor-mazioni di qualita’ del canale, opportunamente compresse. La scelta del miglior modulation and coding scheme (MCS) allocabile, parallelamente alla scelta della potenza su ogni subcarrier, permette di ottimiz-zare tali metriche di data rate, di bit error rate o di goodput. In questa tesi la prima strategia di allocazione di potenza analizzata e’ stata il metodo di waterfilling, che permette di ottenere la massimizzazione del data rate complessivo del sistema favorendo quelle sottopotanti che sperimentano un elevato guadagno di canale. Infine sono state analizzate le performance di un algortimo di bit loading che tenesse conto di vincoli sulla bit error rate, a differenza dell’water filling e quelle di un algoritmo di max-min fairness che cerca di far raggiungere i minimi target di data rate anche per quelle sottoporanti che il waterfilling sfavorirebbe.

La tesi e’ strutturata in 4 capitoli. Nell capitolo 1 viene descritto il livello fisico e il livello mac di comunicazioni IEEE 802.11g. Il secondo capitolo prevede una breve trattazione dei principali algoritmi di Resource Allocation che sono stati presentati per sistemi 802.11. Essi sono stati divisi in due categorie principali: basati sul rapporto segnale rumore oppure su statistiche di trasmissione. Infine sono stati analizzati i principali algoritimi di Resource Allocation per sistemi multiportante. Nel capitolo 3 viene presentato un sistema di trasmissione e ricezione implementato secondo lo standard e i risultati ottenuti in termini di rapporto segnale rumore interferenza su diversi scenari 802.11g. Nel capitolo finale sono stati testati i principali algoritmi di Resource Allocation.

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CHAPTER

2

Livello Fisico 802.11g

2.1 Introduzione alle caratteristiche di trasmissione

IEEE 802.11 definisce uno standard di trasmissione per reti Wireless (WLAN) [1]con particolare riguardo al livello fisico e al livello MAC. In questa tesi la nostra attenzione sara’ posta sulla release 802.11 g, standardizzata nel 2003, che ha permesso di migliorare le prestazioni dei sistemi 802.11 a e 802.11 b, sfruttando la tecnologia Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) e permettendo trasmis-sioni dati a 6, 9, 12, 18, 21, 36, 48, 54 Mbit/s. Il supporto alle trasmistrasmis-sioni a 6, 12, 24 Mbit/s e’ obbligatorio e garantisce la retrocompatibilita’ con le tecnologie IEEE precedenti. Il sistema utilizza 48 sottoportanti dati sulle quali viene permesso l’invio di dati modulati con modulazioni Phase Shift Keying di tipo BPSK e QPSK, oppure quadrature amplitude modulation 16 e 64 QAM. I codici utilizzati per la protezione dall’errore sono di tipo convoluzionale e hanno un coding rate possibile pari a1₂, 2₃e3₄. Non solo e’ possibile sfruttare l’intera canalizzazione a 20 MHz per la trasmissione dati ma si possono effet-tuare tali operazioni anche con canalizzazioni a 10 e 5 MHz riducendo di conseguenza performance di trasmissione permesse dal sistema. Per un dispositivo che opera su una canalizzazione a 20 MHz la rel-ativa densita’ spettrale di potenza non deve superare 0 dBr oltre la banda a 18 MHz e non devono essere superate la maschere di potenza permesse. Per il livello fisico di queste comunicazioni vengono definiti 3 protocolli in modo tale che esso possa offrire ai livelli superiori della pila protocollare le prestazioni richieste dallo standard:

• protocollo PMD che si occupa delle caratteristiche di trasmissione da una stazione trasmittente ad una ricevente

• protocollo Phy convergence supportato da PLCP che permette di mappare le informazioni dai livelli superiori in un formato compatibile con le possibilita’ offerte dal protocollo PMD

• un ulteriore protocollo parallelo ai precedenti si chiama PLME ed e’ un protocollo di management che lavora in sinergia al protocollo di management relativo al livello Mac per garantire la corretta funzionalita’ dei due livelli.

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Figure 2.1: Livello Fisico e Livello Mac 802.11g

2.1.1 Formato della Trama di Livello Fisico 802.11g

La figura in basso mostra il formato del frame PPDU, acronimo per Plcp protocol data unit, che include un premabolo OFDM PHY, un PHY HEADER, il campo dati PSDU che proviene dal livello MAC, un campo per i bit di coda ed un ulteriore campo per i bit di parita’. Il campo PHY PREAMBLE e’ composto da 10 ripetizioni di una sequenza di training di tipo corto utili per la sincronizzazione di tipo temporale e per la stima del frequency offset. Il tempo usato per inviare la prima parte del preambolo e’ della durata di 8 µs (0.8µs ciascuna ripetizione). Il campo relativo al preambolo e’ completato da 2 ripetizioni di una sequenza di tipo lungo che servono per la stima del canale di una durata pari a 6.4 µs ( 3.2 µs per ciascuna ripetizione). Lo standard prevede che le due sequenze siano separate da un intervallo di guardia di durata pari a 1.6 µs. La durata temporale richiesta per inviare la totalita’ del Preambolo PLCP e’ quindi pari a 16 µs, molto minore rispetto al PLCP PREAMBLE relativo alle comunicazioni 802.11 a che prevedevano modulazioni di tipo direct sequence spread spectrum sulla banda a 2.4 GHz. Esso infatti una durata nella versione long pari a 144 µs e pari a 72µs per quanto riguarda la versione short.

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Figure 2.2: Frame di Livello Fisico 802.11g

Il preambolo e’ seguito dal campo PHY HEADER cosi’ composto: • 4 bit relativi al campo rate

• 1 bit riservato ad uso futuro • 12 bits del campo lenght • 1 bit di parita’

• 6 bit di coda (tutti posti a zero) per facilitare la sincronizzazione temporale

• 16 bit relativi al campo service che, a livello protocollare, vengono considerati parte della PSDU, unita’ informativa composta a livello Mac ed inviata a livello fisico.

Il Phy Header deve essere inviato sfruttando una modulazione di tipo BPSK e il codice a protezione di errore piu’ robusto con rate pari a1₂. Il campo Signal e’ formato da 24 bit ed e’ separato da un intervallo di guardia di tipo corto della durata 0.8 µs. I 16 bit del campo signal hanno un tempo di trasmissione stabilito pari a 3.2 µs. Di conseguenza l’intero ammontare dell’overhead per la trama OFDM 802.11g ha una durata complessiva pari a circa 19.2 µs.

Dopo aver completato le prime 2 parti del frame di livello fisico a questo punto e’ necessario concen-trarsi sul payload che e’ inviato dai livelli superiori del protocollo: esso contiene un numero variabile di simboli OFDM che devono essere trasmessi ad una velocita’ di trasmissione indicata nel campo rate del campo signal (4 bit contenuti nell’header del frame). A partire dal campo service di lunghezza pari a 16 bit puo’ iniziare l’operazione di scrambling: i primi 7 bit sono settati a zero per abilitare lo stato iniziale dello scrambler, mentre i successivi 9 sono destinati ad utilizzo futuro.

Dal campo rate della primitiva T Xvector che viene scambiata tra i livelli Mac e PHY possiamo

calcolare alcune grandezze che saranno utili successivamente per stabilire la lunghezza del payload da trasmettere. Le seguenti grandezze sono: il numero di bit "dati", in altre parole, il numero di bit infor-mativi contenuto in un simbolo OFDM (NDBP S), il coding rate R con cui proteggere l’informazione,

il numero di bit contenuti in ogni subcarrier OFDM NDBP S e il numero di bit codificati per simbolo

OFDM NCBP S. 6 bits contenuti nel campo Tail permettono alla stringa di bit relativa al campo dati di

essere un multiplo di (NDBP S). Il processo di encoding della PPDU continua con la generazione di una

sequenza pseudorandom per iniziare la procedura di scrambling che consiste in un’operazione XOR con la stringa di bit PPDU. A questo punto puo’ cominciare l’operazione di codifica dell’intera stringa di bit informativi appena sottopostoa ad un’ operazione di scrambling: si utilizza un encoder convoluzionale con un rate pari a 1₂, 2₃ e 3₄ che deve prevedere anche un’operazione di puncturing in modo tale che si ottengano effettivamente i Coding Rate desiderati. I bit codificati vengono divisi in stringhe della lunghezza di NCBP S e sottoposti ad un’operazione di Interleaving prima di essere nuovamente divisi

in gruppi diNBP SC: ognuno di questi gruppi di bit deve essere poi convertito in un numero complesso

dipendente dalla modulazione che verra’ utilizzata nella trasmissione.

Tale stringa costituita da numeri complessi puo’ essere divisa in gruppi di 48 per essere successiva-mente caricati sulle sottoportanti dati. Ognuno di questi gruppi e’ associato ad un simbolo OFDM. In ogni gruppo i numeri complessi dalla posizione 0 alla 47 vengono mappati nelle subcarrier OFDM dalla

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numero -26 alla 26 con l’accortezza di non utilizzare le subcarriers con indici pari a -21,-7, 0, 7, 21 sulle quali saranno inviati simboli pilota. In particolare alla sottoportante 0 relativa alla frequenza centrale del canale viene assegnato il valore 0. Di conseguenza avremo un gruppo di 52 sottoportanti cosi diviso: 48 sottoportanti dati e 4 sottoportanti pilota. Le restanti 12 sottoportanti, che occupano le prime 6 posizioni precedenti al primo simbolo complesso e le ultime 6 posizioni seguenti all’ultimo, sono chiamate sotto-portanti virtuali e la loro importanza verra’ brevemente spiegata nel capitolo 3 relativo alla trasmissione dati OFDM.

Figure 2.3: Parametri di trasmissioni per 802.11g (a)

A questo punto, il gruppo di 52 sottoportanti OFDM viene sottoposto ad un’operazione di Trasfor-mata di Fourier Inversa (IFFT) con dimensione della FFT pari a 64, in modo tale da passare nel dominio del tempo. Per poter raggiungere la durata effettiva del simbolo OFDM previsto dallo standard 802.11g pari a 4µs, e’ necessario preporre a questo gruppo quei simboli che occupano l’ultimo quarto del gruppo. Ogni simbolo OFDM quindi e’ composto da un set di 80 simboli complessi e, in particolare, le posizioni dalla numero 1 alla numero 16 e dalla numero 65 alla numero 80 presentano il solito set di simboli. Tutti questi gruppi di simboli OFDM devono essere posti back to back fino ad ottenere una lunghezza pari a quella indicata nei campi rate e length dell’Header e, in seguito, questo segnale deve essere sottoposto ad un’operazione di modulazione a radio-frequenza per poter essere poi effettivamente inviato sul canale attorno ai 2.4 GHz. La forma d’onda risultante e’ periodica di un periodo pari a Tf f t= 1/∆f, il prefisso

ciclico e’ usato nella tecnologia OFDM per evitare interferenza intersimbolica con il frame precedente. Vengono definiti tre tipi di intervallo di guardia: di tipo corto, di tipo lungo e un tipo indicato per i sim-boli OFDM dati.

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Figure 2.4: Parametri di trasmissioni per 802.11g (b)

2.1.2 Preambolo e Header OFDM 802.11

Il campo preambolo e’ usato per le operazioni di sincronizzazione ed e’ composto da sequenze di training di tipo corto e lungo. In questo paragrafo, e nel seguito della Tesi, le durate temporali dei parametri di trasmissione faranno sempre riferimento ad una canalizzazione a 20 MHz. Se considerassimo le canalizzazioni a 10 oppure 5 MHz la durata e’ raddoppiata e quadruplicata, rispettivamente. Per quanto riguarda le 10 ripetizioni di tipo short, ognuna di esse consiste in 12 sottoportanti che sono modulate dagli elementi della sequenza S. La moltiplicazione per il valore inizialep13/6 permette di normalizzare la potenza della sequenza dato che sono sfruttate solamente 12 delle 52 sottoportanti OFDM. Il fatto che solo le righe spettrali multiple di 4 abbiano un valore diverso da zero dell’ampiezza causa una periodicita’ di 0.8 µs pari aTf f t

4 della sequenza. Per questo motivo l’intervallo TSHORT ha una durata pari a 0.8 µ.

S =p13/6(0, 0, 1 + j, 0, 0, 0, −1 − j, 0, 0, 0, 1 + j, 0, 0, 0, −1 − j, 0, 0, 0

− 1 − j, 0, 0, 0, 1 + j, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, −1 − j, 0, 0, 0, −1 − j, 0, 0, 0

1 + j, 0, 0, 0, 1 + j, 0, 0, 0, 1 + j, 0, 0) (2.1) Una sequenza di training di tipo lungo invece viene modulata dalla sequenza L che e’ composta da 53 simboli considerando anche il valore 0 nella sottoportante centrale cosi’ come nella sequenza di tipo corto. Due ripetizioni della sequenza di tipo lungo permettono di ottenere una durata pari a 8 µs, se consideriamo anche la durata dell’intervallo di guardia di tipo 2, in modo tale da permettere una stima piu’ accurata delle condizioni di canale.

L = (1, 1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1, 1, 1, 1, 1, 1

1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, −1, −1, 1

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Figure 2.5: Durata simboli

I simboli OFDM che fanno parte del preambolo devono essere seguiti dall’Header OFDM che viene chiamato campo SIGNAL. Esso contiene il campo RATE e il campo LENGTH composti da bit che vengono settati dai livelli superiori. Il primo campo contiene informazioni circa il tipo di modulazione e il coding rate da utilizzare per trasmettere la PSDU contenuta nella parte rimanente del frame. Affinche’ questa parte del frame venga demodulata correttamente è opportuno trasmetterla con una modulazione robusta come la BPSK e con un codice a protezione d’errore con rate pari a 1₂. Il campo Signal e’ composto da 24 bit, i primi 4 permettono di stabilire quale sia la velocita’ di trasmissione dei dati e compongono la parte chiamata RATE, segue un bit riservato e il campo length composto da 12 bit di tipo unsigned che indicano il numero di ottetti nella PSDU che il Mac sta chiedendo al livello fisico di trasmettere. Seguono un bit riservato ad uso futuro, un bit di parita’ e altri 6 bit che devono essere settati a zero.

Figure 2.6: Rate

2.1.3 Campo dati della trama di livello fisico 802.11g

Sebbene l’header della trama OFDM tenga conto anche del campo Service in realta’ si e’ soliti far partire la trama dati proprio a partire da questo campo che contiene 16 bit. I primi 6 bit sono settati a zero per far sincronizzare il de-scrambler al ricevitore mentre i restanti 9 bit sono riservati ad uso futuro. Dopo il campo service e il campo PSDU e’ presente il campo tail composto da 6 bit settati a 0 per permettere al decodificatore convoluzionale di ritornare allo stato zero iniziale. Il campo dati termina con i bit di riempimento (PAD BITS): il numero di bit nel campo dati del formato OFDM deve essere un multiplo di NCBP Se per raggiungere questo risultato e’ necessario in prima battuta estendere il messaggio almeno

ad lunghezza pari ad un multiplo di NDBP S. In seguito almeno altri 6 bit vengono posti in fondo al

frame. Il numero di Simboli OFDM, il numero di bit contenuti nel campo DATA e il numero di bit contenuti nel campo pad sono i seguenti:

NSY M = d

16 + 8 × Length + 6 NDBP S

(20)

NDAT A= NSY M× NDBP S

NP AD= NDAT A− (16 + 8 × Length + 6)

2.1.4 Operazioni di Scrambling, Encoding Convoluzionale ed Interleaving

Il campo Dati del Phy Frame composto dal campo Service, dal campo PSDU e dalle parti di coda e parita’ deve essere sottoposto ad un’operazione di Scrambling compiuta da uno Scrambling sincrono al Phy Frame che e’ in grado di compiere operazioni su sequenze lunghe 127 bit. La funzione generatrice dello Scrambler e’ la seguente

f (x) = x7+ x4+ x1

e viene usata anche per l’operazione inversa di descrambling. Per agevolare quest’operazione i 7 bit meno significativi del campo SERVICE devono essere posti a zero in modo tale da abilitare la stima dello stato iniziale dello Scrambler in fase di ricezione. Successivamente all’operazione di Scram-bling, il campo Dati della Trama di livello fisico deve essere sottoposta ad un’ operazione di codifica convoluzionale ad uno dei seguenti rate (1₂,2₃,3₄,). Il codificatore convoluzionale deve lavorare con i seguenti generatori polinomiali; g0 = 133 g1 = 171 di rate pari a 1₂. Per mezzo di un’operazione di

Puncturing, che omette alcuni dei bit da trasmettere e inserendo al loro posto degli zero al decodificatore convoluzionale in ricezione, e’ permesso raggiungere rate piu’ elevati di quanto il solo codificatore con-voluzionale permetterebbe.

Figure 2.7: Scrambling

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I bit cosi codificati devono essere ancora sottoposti ad un’operazione di Interleaving che viene per-messa da un interleaver che ha dimensioni del blocco pari a quella del numero di bit contenuti in un simbolo OFDM, NCBP S. L’operazione e’ svolta in 2 parti:

• Bit codificati adiacenti vengono mappati in sottoportanti non consecutive seguendo la regola

i = NCBP S

16 × Kmod16+ b k

16c, k = 0, 1, ..., NCBP S− 1

• Bit codificati adiacenti sono mappati nei simboli piu’ o meno significanti della costellazione, evi-tando lunghe sequenze di bit poco significativi.

j = s × bi

sc + (i + NCBP S− b 16 ∗ i NCBP S

cmods, i = 0, 1, ..., NCBP S− 1

Il valore s puo’ assumere i valori (1,NCBP S

2 ).

2.1.5 Modulazione e Mapping dei simboli

I simboli allocati nelle subcarriers OFDM vengono modulati usando modulazioni BPSK, QPSK, 16QAM e 64QAM a seconda della velocita’ trasmissiva richiesta la cui indicazione e’ contenuta nel campo RATE dell’header. La stringa di bit che a questo punto ha subito le operazioni di scrambling, encoding ed interleaving, viene divisa in gruppi pari a NBP SCbit che possono essere (1,2,4,6) e convertiti in numero

complesso a seconda della costellazione usata tenendo conto della codifica di Gray, dove ogni simbolo si differenzia dai simboli adiacenti per un solo bit. I valori dei simboli complessi d quindi saranno del tipo

d = (I + jQ) × Kmod

Kmod e’ una costante che cambia il suo valore a seconda della costellazione usata, vale 1 per la

modulazione Bpsk, vale √1

2 per la modulazione Qpsk , 1 √

10 per la modulazione 16QAM e 1 √

42 per la

modulazione 64 QAM. La normalizzazione ci serve affinche’ venga utilizzata la solita potenza media in trasmissione per tutti i tipi di modulazione, che deve essere pari ad 1. Non tutte le 64 sottoportanti previste dall’operazione di IFFT sono soggette a questa operazione, ma solo quelle 48 relative ai dati. Le 4 sottoportanti contenenti simboli pilota (-21 ,-7, 7, 21), dedicate ad una detection del segnale coerente e robusta contro gli offset in frequenza e il rumore di fase, saranno modulate con una modulazione di tipo BPSK e subiranno operazioni con particolari sequenze pseudo binarie in modo tale da non generare componenti spettrali.

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Figure 2.9: Costellazioni

Questi simboli complessi vengono divisi in gruppi di NSD=48 numeri complessi. E’ possibile

ev-idenziare ogni simbolo attraverso una doppia notazione: k e’ il numero della sottoportante sulla quale viene allocato il simbolo, n invece e’ l’indice del simbolo OFDM relativo alla stringa di bit.

dk,n= dk+NSD×n, k = 0, ..., 48, n = 0, .., NSY M− 1

2.1.6 Parametri in trasmissione e ricezione

Il diagramma a blocchi generale per la trasmissione e ricezione del segnale Ofdm a livello fisico sono i seguenti:

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Figure 2.10: Operazioni in trasmissione e ricezione

Per quanto riguarda le trasmissioni Ofdm IEEE 802.11b si deve operare nella banda relativa ai 5 GHz e la frequenza centrale di ogni canale si ottiene partendo dalla frequenza centrale d fc = 5GHz e

andando a spostarsi a multipli di 5 MHz. La tecnologia 802.11 g ,invece, opera nella banda intorno ai 2.4 GHz e le frequenze centrali dei canali a disposizione si trovano alla distanza di 5MHz ciascuna a partire dalla frequenza centrale del canale 1 centrata alla frequenza fc=2412 MHz.

Per quanto riguarda le operazioni di trasmissione che sfruttano la canalizzazione standard a 20 MHz ,lo spettro trasmesso non deve avere componenti spettrali che distano oltre i 9 MHz dalla frequenza centrale che superino di 1 W il livello massimo della densita’ spettrale d’energia del segnale. Tale limite si abbassa a -20 dB per quelle componenti che distano 11 MHz dalla frequenza centrale e,ulteriormente, scende a -28 dB per quelle a distanza superiore a 20MHz. Per quanto riguarda invece l’energia media delle costellazioni e’ regolamentato il seguente comportamento: in ogni riga spettrale dalla -16 alla -1 e dalla 1 alla 16, il livello di intensita’ del segnale non deve superare i 4 dB in difetto o in eccesso rispetto all’energia media della costellazione, mentre le righe dalla -26 alla -17 e dalla 17 alla 26 non devono deviare tra i +4 e i -6 dB sempre prendendo come riferimento l’energia media della costellazione

Figure 2.11: Maschera di trasmissione a 20 MHz

Altre caratteristiche sulla trasmissione: l’inizio di una trasmissione OFDM e’ considerata valida qualora il meccanismo di Energy-Detection del Control-Channel Assignement rilevi un livello di ricezione superiore a -82dBm per canali a 20MHz . Il meccanismo di Carrier Sense e Collision Avoidance (Cs/Cca) indichera’ quindi canale occupato con una probabilita’ del 90% entro 4 µs dalla ricezione. Esattamente il tempo che impiega il meccanismo di carrier sensing per rivelare la squenza di training OFDM di tipo short all’interno del preambolo, pari a 2 volte Tsym. Inoltre un comportamento del tutto analogo del si

otterrebbe qualora venisse rilevato un valore superiore a 20 dB rispetto al livello minimo di sensitivity che, per una canalizzazione a 20 MHz, e’ settato a -62 dBm.

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2.2 Archittetura del sistema 802.11

Nel design di una wired Lan e’ implicitamente assunto che un indirizzo equivale ad una locazione fisica ma nelle reti wireless non e’ detto che sia sempre cosi’. Nelle reti 802.11 l’unita’ di base indirizzabile prende il nome di STA che e’ una destinazione indirizzabile, come detto, che non e’ pero’ sempre fissa. Rispetto ad una rete cablata ci sono delle differenze sostanziali:

• il livello fisico non ha confini osservabili oltre i quali le STA non possono comunicare • STA sono non protette da eventuali altri segnali che condividono il livello fisico • le STA possono sperimentare differenti condizioni di canale

• le STA possono offrire diversi livelli di Qualita’ di Servizio QoS

• le STA possono essere mobili e non e’ detto che il loro ricevitore sia sempre in funzione

L’architettura di rete 802.11 consiste in diverse componenti che interagiscono per permettere ai livelli superiori di essere trasparenti alla mobilita’ delle STA. Il Basic Service Set e’ la componente base di un’architettura di rete 802.11 e puo’ essere pensata come l’area di copertura che permette ad almeno 2 STA di essere in comunicazione tra di loro e qualora una delle 2 uscisse da quest’area a quel punto la comunicazione non potrebbe continuare. Per diventare parte di un BSS una STA deve operare una procedura di sincronizzazione e di associazione per poter accedere a tutti i servizi dell’infrastruttura di rete. Associazione e’ un processo dinamico che necessita dell’utilizzo di un Distributed Service Set (DSS). E’ possibile interconnettere molti BSSs per mezzo di un Distribution System (DS): e’ importante notare che possono esserci diversi livelli fisici che operano per soddisfare diversi scopi della rete e il DS provvede a quei servizi logici che permettono di mappare gli indirizzi e permettere di collegare diversi BSSs. Un Access Point (AP) e’ un’entita’ che ha le stesse funzionalita’ di una STA ma permette anche alle diverse STA presenti nel suo raggio di copertura di accedere al DS e poter comunicare anche all’esterno del loro BSSs. La presenza di un Access Point in uno specifico BSS permette alle STA a lui collegate le operazioni di autenticazione, associazione, sincronizzazione e possibilita’ di power management.

Figure 2.12: Basic Service Set e Distribution System

Il Distribution System e la presenza di diversi BSSs infrastrutturati permettono di ottenere reti wire-less di diversa grandezza e compwire-lessita’, ci si riferisce a queste reti con il nome di Extended Service Set (ESS) che e’ l’unione di diversi BSSs con lo stesso SSID e che sono collegate per mezzo del DS, tuttavia quest’ultimo non e’ incluso nell’ESS. Cio’ succede in modo tale che la rete veda questo ESS con lo stesso indirizzo di un BSS e le STA possono di conseguenza comunicare e muoversi all’interno di queste reti Wireless.

Per poter comunicare con altre WLANs che non condividono l’architettura 802.11 e’ necessario passare attraverso un componente delle rete chiamato Portal. Generalmente la maggior parte delle in-stallazioni riuniscono Access Point e Portal in un’unica entita’ fisica.

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2.2.1 Formato del Frame di Livello MAC

Una STA deve essere in grado di costruire una parte della trama utile per la trasmissione e di gestire altre parti della trama per poter decodificare opportunamente frames a lei destinati. Una STA deve validare ogni frame ricevuto per mezzo del frame check sequence(FCS) e interpretare alcuni campi della trama attraverso il MAC header.

Figure 2.13: Formato della Trama Mac

Ogni frame e’ formato da 3 parti:

• un Mac Header che porta informazioni circa l’indirizzo destinario, trasmittente, informazioni sulla QoS e sulle operazioni da compiere sul Frame

• una parte dati di lunghezza variabile chiamata frame body

• una parte finale composta da 32 bit di Cyclic Redundacy Check chiamata Frame Check Sequence

I primi 3 campi del frame MAC sono presenti in tutte le trame contenti dati informativi che trame di overhead (Frame Control, Duration e Indirizzo 1 composti, rispettivamente da 16 e 48 bit) cosi’ come l’ultimo campo relativo al FCS. Il primo byte che compone il campo Duration Field ci permette di capire a quale versione dello standard IEEE 802.11 appartiene la trama in esame e se essa e’ una trama dati, di controllo o di Management. Alcuni esempi di trame di Management sono le richieste di Autenticazione e Associazione, le piu’ importanti trame di controllo sono i frame RTS, CTS che abilitano il Channel Sensing di tipo Virtuale e il frame ACK che e’ la conferma di ricezione positiva che raggiunge la stazione trasmittente da quella destinataria. Altre informazioni che possiamo ottenere dal campo Frame Control sono il controllo di potenza, se e’ parte di una trama piu’ lunga che e’ stata sottoposta ad un’operazione di frammentazione oppure se il destinatario e il mittente sono contenuti nello stesso BSS.

Il numero minimo di bit per un MAC header e’ quindi di 80 bit da sommarsi al frame body e al campo FCS composto sempre da 32 bit nella coda del frame. Il campo duration della durata di 16 bit porta l’informazione in µs della durata di tutto il frame. Gli indirizzi sono di 48 bit e possono essere fino a 4 all’interno del Mac Frame. Essi ci permettono di capire il Basic Service Set Identifier, l’indirizzo sorgente e quello destinatario di quel particolare link e quali sono gli indirizzi di chi effettivamente ha originariamente inviato il messaggio e del destinatario reale.

2.2.2 Formato dei Frame di Controllo utili al Channel Sensing

Il Request to Send (RTS) e’ un particolare frame di controllo composto da 2 Byte di Frame Control, 2 Byte del campo Duration, 48 bit per 2 indirizzi RA, TA e i restanti 32 bit che si occupano del CRC. Il campo RA si riferisce all’indirizzo della STA che in quel particolare link sta ricevendo questo messaggio, mentre quello TA e’ riferito alla STA che sta inviando questo frame. Il campo durata indica la durata in microsecondi dell’intera trasmissione che tiene conto della trasmissione dei dati, dell’ack di ritorno e dei frame RTS e CTS.

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Figure 2.15: ClearTo Send

Figure 2.14: Request To Send

Il frame CTS ha il solito formato del gemello RTS con alcuni accorgimenti: non e’ presente il campo TA in quanto questo e’ un frame unicast che risponde solamente ad un preciso RTS precedente, inoltre il campo duration e’ sempre minore al campo duration del RTS in quanto la trasmissione dell’ACK e il trascorrere di un tempo pari al SIFS time sono eventi gia’ accaduti.

Il frame ACK ha una durata pari 112 bit: oltre al campo Frame Control e FCS e’ presente il campo duration di 16 bit che descrive in microsecondi la stessa informazione contenuta nel campo Duration presente nel Mac Header e, inoltre, il campo RA indica solamente l’indirizzo della STA che ha prece-dentemente inviato un frame di controllo o frame dati.

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2.3 Channel Sensing

Il protocollo base di accesso al mezzo e’ un Distributed Coordination Function (DCF) che consente la condivisione automatica del mezzo tra stazioni con livello fisico compatibile mediante l’utilizzo di un protocollo chiamato CSMA/CA, acronimo per Channel Sensing Multiple Access with Collision Avoid-ance[2]. A questo protocollo vengono affiancate alcune feature come l’utilizzo di un tempo aleatorio di attesa che segue l’indicazione di collisione e l’utilizzo del frame di controllo ACK: una stazione ricevente deve inviare questo frame di controllo alle stazioni che stanno trasmettendo individualmente verso di lei affinche’ possano ottenere un’indicazione di corretta trasmissione. Il protocollo CSMA/CA e’ stato pro-gettato per ridurre la probabilita’ di collisione tra diverse STA che accedono al canale. Il periodo di tempo piu’ problematico, cioe’, quello in cui potrebbero verificarsi collisioni con maggiore probabilita’ e’ quel periodo in cui il canale e’ effettivamente libero dopo un’ indicazione di mezzo occupato (indi-cato dalla funzione di CS). Questo puo’ accadere con un probabilita’ molto alta in quanto molte stazioni trasmittenti (STA) potrebbero essere in attesa che il mezzo torni ad essere libero per poter inviare il loro frame. Questa situazione necessita di un meccanismo che permetta di risolvere la contesa del mezzo: le stazioni che perdono la contesa dovranno rimanere ancora in attesa per un intervallo di tempo di durata aleatoria. Evitando che i pacchetti siano nuovamente trasmessi dai livelli superiori, questo meccanismo di attesa a livello Mac permette generalmente di non produrre eccessivi ritardi di trasmissione per i sin-goli pacchetti. Il meccanismo di Channel Sensing puo’ verificarsi attraverso veri e propri meccanismi fisici oppure virtuali.

Una stazione prima di trasmettere deve testare il mezzo trasmissivo: se il mezzo e’ libero per un intervallo pari ad un tempo chiamato Distributed Inter Frame Space allora essa e’ autorizzata ad effet-tuare la trasmissione che deve essere validata dalla ricezione del frame ACK dalla stazione ricevente. L’indicazione di mezzo libero e’ ottenuta mediante l’indicazione di un livello energia sul canale che non supera una certa soglia.

A questo meccanismo fisico viene affiancato un meccanismo di CS virtuale. Lo scambio di frame RTS (Request to Send) e CTS (Clear to Send) [3] che precedono l’attuale scambio di frame dati e’ un mezzo che permette di distribuire tale informazionea tutte le stazioni in ascolto: infatti i frame di con-trollo RTS e CTS contengono un campo Duration che riporta l’indicazione sull’ammontare di tempo che una STA trasmittente utilizza occupando il mezzo per trasmettere il proprio frame dati e aspettare il frame Ack di ritorno. Una STA in ascolto puo’ ricevere sia il frame RTS dalla stazione trasmittente che il frame CTS dalla ricevente oppure uno solo dei due. Questa stazione dovra’ pertanto elaborare l’informazione di mezzo occupato e mettersi in attesa. E’ importante evidenziare questo comportamento perche’ non e’ detto che tutte le stazioni siano comprese nel raggio di copertura di ogni stazione. Di conseguenza basta ascoltare solo uno dei due frames di controllo per ottenere tale informazione e non andare a collidere sul canale con altre stazioni. Questo meccanismo virtuale permette di evitare collisioni dovute ad eventuali hidden nodesoppure a fading profondi del segnale radio. Tutte le stazioni che ricevono RTS e CTS devono settare l’indicatore di Virtual Carrier Sense, noto come NAV, e sfruttano il meccanismo fisico e quello virtuale per la rilevazione del mezzo. Nel caso di PPDU frammentata, il tempo che trascorre il canale libero prima dell’arrivo del frammento successivo contenuto nel campo Duration di RTS e CTS: anche in questo lasso di tempo nessuno deve accedere al mezzo.

Lo scambio RTS/CTS tra le STA coinvolte nella trasmissione non solo esegue un controllo della col-lisione ma anche una rapida reazione a questo evento mediante un controllo del percorso di trasmissione. Se il frame di ritorno CTS non viene rilevato dalla STA che origina il RTS, la STA originaria ripete la trasmissione piu’ rapidamente senza aspettare un tempo pari all’effettivo tempo di trasmissione del frame e del successivo ritorno dell’Ack. Il meccanismo RTS /CTS non deve essere utilizzato per MPDU indi-rizzata ad un gruppo di destinatari in quanto, potenzialmente, molte stazioni potrebbero inviare un CTS in risposta, causando interferenza e sprecando risorse imporanti. Inoltre lo scambio di frame di controllo RTS/CTS non sempre e’ giustificato: nel caso di trame dati molto corte e’ inutile peggiorare l’ineffcienza della trasmissione con troppi frame di controllo che riducono il Throughput della comunicazione.

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2.3.1 Meccanismo di Carrier Sensing

Le funzioni di Channel Sensing fisico e virtuale sono utilizzate per determinare lo stato del mezzo e se almeno una delle 2 funzioni indica che il canale e’ libero allora sara’ considerato tale. Le funzioni di CS fisico sono messe a disposizione dal livello fisico mentre quelle virtuali dal livello Mac. Quest’ultimo meccanismo si basa sul Nav ( Network Allocation Value): Il nav e’ pensato come un contatore che com-pie un’operazione di Countdown in maniera costante per una stazione. Quando il contatore arriva a zero l’indicazione e’ quella di canale libero, per tutte le altre configurazioni, il canale e’ considerato occupato, cioe’, una stazione diversa da quella che ha settato il contatore NAV sta trasmettendo sul canale. Il val-ore iniziale che una stazione setta per il proprio NAV segue l’indicazione ottenuta dai frame RTS/CTS. L’utilizzo di tali frame di controllo non risolve tutti i problemi della trasmissione: potrebbero per es-empio esserci problemi nella generazione dell’ACK e di conseguenza, pur essendo arrivata al ricevitore l’intera trama, continua la segnalazione di canale occupato oltre la durata indicata nel frame RTS/CTS a causa di un errore sui dati. Per prevenire un accumulo non utile di frame di controllo, il protocollo del CS non provede l’obbligo di rispondere con un ACK al ricevimento di un frame RTS/CTS.

Il protocollo prevede diversi intervalli di tempo che scorrono tra l’invio di due trame consecutive: tali intervalli, che differiscono per la durata, si chiamano Inter-Frame Space (IFS), una stazione determina se il mezzo e’ vuoto attraverso l’utilizzo del meccanismo di CS in uno di questi intervalli.

Figure 2.17: IFS

Sono noti in letteratura fino a 10 intervalli temporali. Per comunicazioni 802.11g il protocollo prevede i seguenti intervalli:

• SIFS: Short Inter-Frame Space. Lo SIFS deve essere utilizzato prima della trasmissione di un frame ACK, di un frame CTS e prima del secondo o successivo MPDU di un frame contenente un blocco BlockAck che e’ stato sottoposto precedentemente ad un’operazione di Frammentazione. Lo SIFS e’ il tempo che passa dalla fine dell’ultimo simbolo del frame precedente all’inizio del primo simbolo del preambolo del frame successivo. Una volta prenotato il mezzo, la stazione deve utilizzare questo intervallo di tempo per dividere i suoi frames in modo tale da prevenire che una stazione dormiente possa accedere al mezzo e cominciare a trasmettere durante la propria trasmissione. Esso e’ il piu’ piccolo intervallo presente nel protocollo.

• DIFS: DCF Inter-Frame Space. L’intervallo di tempo DIFS viene usato dalle STA che devono trasmettere frames dati o di management. Esse possono trasmettere solo se il loro meccanismo di channel sensing determina che il mezzo sia libero dopo aver atteso il trascorrere di questo intervallo e dopo che il back-off timer sia scaduto.

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• EIFS: Extended Inter-Frame Space. Si tratta di un intervallo di tempo che deve essere usato dalle stazioni qualora avessero ricevuto un frame che abbia segnalato un messaggio P HYrxend

conte-nente un errore o che abbia dato errore a livello Mac, cioe’ che il FCS abbia restituito un risultato sbagliato. Di conseguenza una stazione non deve cominciare a trasmettere fintantoche’ non sia passato un intervallo di tempo della durata pari a intervallo di tempo pari al Nav+EIFS.

Tali intervalli temporali sono indipendenti dal tipo di STA presenti nella rete. Ognuna di esse, oper-ante con qualità di trasmissioni differente, deve essere in grado di gestire differenti priorita’.

2.3.2 Contention Window

Una stazione che vuole cominciare la trasmissione di MPDU deve utilizzare il meccanismo di Channel Sensing per determinare la condizione del canale. Se esso e’ occupato, la stazione deve ritardare la trasmissione finche’ il mezzo non viene valutato libero per un tempo almeno pari a DIFS oppure per un tempo pari all’EIFS qualora l’ultimo frame non fosse stato ricevuto correttamente dalla STA sotto osservazione che ora vuole ritrasmettere. Se questa stazione non vince la contesa essa deve settare un parametro aleatorio di back-off e deve attendere un ulteriore ammontare di tempo affinche’ non vi siano collisioni con altre STA impegnate nel mezzo, quindi deve attendere che questo parametro decrementi a zero.

Backof fT ime= TSLOT× alf a

alf a e’ un numero estratto da una distribuzione uniforme ∈ U [0, Cw]. CW e’ un parametro settato dal costruttore a seconda del livello fisico di cui intende avvalersi. Il parametro di contention window (CW) e’ inizializzato con un valore pari a CWmin. Un tentativo di trasmissione di un MPDU non riuscito provoca un aumento esponenziale, come indicato nella figura 2, della Contention Window, fino al raggiungimento del valore CWmax. Ogni tentativo deve sempre avvenire dopo che un intervallo pari a

SIFS sia trascorso. I valori possibili della durata della Cw sono (7-15-31-63-127-255): sono tutte potenze di 2 alla quali viene tolta un’ unita’. Il reset avviene quando viene inviato un MPDU con successo sul canale a disposizione. Ogni stazione deve mantenere in memoria altre 2 quantita’ (SSRC e SSRL) che saranno settate a zero quando avviene la ricezione di un CTS dopo l’invio di un RTS oppure quando un frame di controllo ACK viene ricevuto correttamente dopo aver inviato una MPDU. Per quanto riguarda un ulteriore parametro, SLRC, esso si azzera quando una serie di frame, destinate al solito indirizzo, vengono ricevute correttamente e alla stazione trasmittente giunge un Block-Ack.

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2.3.3 Procedura di Accesso al Mezzo

Per iniziare la procedura di backoff, la STA settera’ il suo Backoff pari ad un tempo di backoff casuale utilizzando l’equazione precedente. Tutti gli intervalli di backoff si verificano dopo un periodo DIFS durante il quale il mezzo viene determinato libero per la durata pari a DIFS, o in seguito ad un periodo EIFS. Una STA che esegue la procedura di backoff deve utilizzare il meccanismo CS per determinare se esiste trasmissione durante ogni slot di backoff. Se non viene indicata alcuna attivita’ per la durata di un particolare backoff Slot, allora la procedura di backoff diminuira’ il tempo di backoff di un time slot. Se il mezzo e’ determinato occupato durante uno slot di backoff la procedura di backoff viene sospesa,ovvero, il timer backoff non deve diminuire in quello slot temporale. Il mezzo deve essere determinato libero per la durata di un periodo DIFS o EIFS, prima che la procedura di backoff sia terminata. La trasmissione deve iniziare solo quando il timer di backoff raggiunge lo zero. La procedura di backoff deve essere eseguita immediatamente dopo la fine di ogni trasmissione con un’altra stazione quando il bit moref ragment e’ impostato su 0 per una MPDU di tipo Data, Management o Controllo con il sottotipo PS-Poll. Nel caso di trasmissioni avvenute con successo questa procedura di backoff iniziera’ alla fine del frame ACK ricevuto. Nel caso di trasmissioni non andate a buon fine che richiedono il frame ACK, questa procedura di backoff iniziera’ alla fine del ACKT imeout. Una trasmissione non

riuscita e’ quella in cui una stazione non riceve un frame ACK proveniente dalla STA indicato nel campo DA del frame trasmesso. Se invece la trasmissione e’ riuscita, il valore CW torna al valore CWmin mentre il SSRC e il SLRC vengono aggiornati. Questo assicura che i frame trasmessi da una STA siano sempre separati da almeno un intervallo di backoff. L’effetto di questa procedura e’ che quando diverse STA stanno ritardando la trasmissione e settano un backoff casuale, la stazione che seleziona il piu’ piccolo tempo di backoff vincera’ la contesa (assumendo che tutte le STA vogliano accedere al mezzo).

Figure 2.19: CS Virtuale e Intervalli temporali

Il recupero di errori e’ sempre responsabilita’ della STA che inizia una sequenza di scambio di frames. Molte circostanze possono causare un errore che richiede il reinvio del frame. Ad esempio, il CTS non viene ricevuto dopo la trasmissione di un RTS. Questo puo’ accadere per colpa di una collisione con un’ altra trasmissione, oppure a causa di interferenze sul canale durante la trasmissione del RTS o CTS oppure perche’ la STA riceve il frame RTS quando il proprio Virtual Carrier Sense stia considerando il canale occupato da un’altra trasmissione.

Il recupero dagli errori si ottiene riprovando a trasmettere quelle stringhe di bit che le stazioni consid-erano fallite. I tentativi continueranno, per ogni sequenza fallita, fino al momento in cui la trasmissione riesce o fino a quando non viene raggiunto il limite massimo di tentativi di reinvio. Le STA devono percio’ mantenere 2 contatori ( SRC, LRC) per ogni MSDU o MMPDU in attesa di trasmissione. Questi contatori sono incrementati e resettati indipendentemente l’uno dall’altro. Dopo la trasmissione di un frame RTS, la STA attende il ritorno del frame CTS: se la trasmissione del frame RTS non riesce al-lora l’SRC per MSDU o MMPDU e il SSRC vengono incrementati. Questo processo continuerà fino al numero di tentativi massimo di trasmissione di tale MSDU o MMPDU.

Un nodo che riceve un’informazione valida sullo stato del canale deve aggiornare il proprio valore Nav con il valore contenuto nel campo duration del frame ricevuto qualora esso sia piu’ grande del valore del Nav mantenuto in memoria. Una stazione che riceve tale informazione grazie ad un frame RTS deve

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settare il proprio Nav ad un valore pari a

2 × SIF ST ime+ CT ST ime+ 2TSLOT

.

Se il valore da settare nel Nav viene reso noto mediante la ricezione di un frame CTS allora tale valore e’ pari a

2 × SIF ST ime+ CT ST ime+ 2TSLOT− SIF ST ime− RT ST ime.

Figure 2.20: Funzionamento RTS-CTS-NAV

2.3.4 Ack Procedure

Al ricevimento di un frame che richiede la conferma una STA deve generare un frame ACK. Un ACK deve essere trasmesso dalla Sta che non e’ un AP, quando riceve con successo un frame unicast di un tipo che richiede il riconoscimento, ma non se riceve una multicast di tale tipo. Dopo aver ricevuto un frame che richiede un riconoscimento la trasmissione del frame ACK avra’ inizio dopo un periodo pari al SIF ST ime, senza tener conto dello stato occupato o libero del canale. Dopo la trasmissione di un

MPDU che richiede un ACK come risposta, la STA deve attendere un intervallopari a ACK-Timeout che vale SIF ST ime+ TSLOT+ P HY − RX − ST ARTDelaya partire dal P HY − T XEN Dconf irm. Se

un P HY − RXST ARTindicationnon si verifica durante l’ ACKT imeoutallora la STA conclude che

la trasmissione dell’MPDU non e’ riuscita e questa STA deve cominciare il suo Backoff alla scadenza dell’intervallo ACKT imeout.

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(33)

(34)

CHAPTER

3

Waveforms

3.1 Resource Allocation

Un sistema di comunicazione che permette l’utilizzo di diversi schemi di modulazione e codici di pro-tezione dall’errore (MCS) sceglie quale sia il miglior link a Radio Frequenza sul quale trasmettere i propri dati dopo aver misurato parametri di qualita’ del link, come per esempio il rapporto segnale ru-more C/I. [4] Questi parametri di qualita’ possono essere calcolati sia in maniera istantanea, senza tener conto cioe’ del comportamento del canale di comunicazione precedente o successivi al particolare istante di misurazione oppure e’ possibile ottenere una misurazione piu’ affidabile mediando i risultati istantanei misurati in un intervallo ∆t. In seguito, vengono calcolate statistiche di primo ordine su questi valori

ottenendo grandezze come media e varianza. Sulla base delle statistiche saranno poi misurati parametri di qualita’ piu’ performanti come Throughput oppure Packet Error Rate (PER). La scelta del link e del MCS adeguato avviene valutando quest’ultimi parametri. Bisogna ricordare poi alcune considerazioni: fissato il bit rate, se diminuiamo il rapporto tra bit dati e bit totali, ovverosia, aumentiamo il numero di bit codificati, riduciamo il bit rate permesso all’utente garantendo allo stesso tempo una probabilita’ piu’ alta di corretta ricezione. Inoltre non e’ sempre detto che la strategia migliore sia sempre quella di scegliere il set di modulazione e codifica piu’ performante, infatti questo tipo di schemi MCS e’ piu’ a rischio di peggioramento di prestazioni, qualora la qualita’ del canale peggiorasse improvvisamente, rispetto ad uno schema di modulazione e codifica meno spinto ma orientato alla robustezza. L’aleatorieta’ della risposta impulsiva del canale ha reso necessario l’implementazione di algoritmi che possano dinamica-mente far fronte al peggioramento della qualita’ della comunicazione e far si che all’utente sia garantita una qualita’ media di servizio (QoS) elevata, a scapito del bit rate al quale l’utente puo’ effettivamente inviare i suoi dati. Quando l’utente si trova in una posizione tale da avere una comunicazione robusta con l’access point (AP) della rete oppure con un altro utente, allora e’ possibile associare a questa parti-colare comunicazione un MCS molto efficiente composto da modulazioni come la 16 QAM o 64 QAM che associano ad un simbolo della costellazione molti bit informativi, godono di alta efficienza spettrale e permettono di avere prestazioni elevate senza utilizzare un rapporto segnale rumore (C/I) elevato: in sintesi, all’utente e’ permesso trasmettere i suoi dati ad un elevato bit rate.

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co-municazione tra 2 utenti ad un determinato istante al trasmettitore oppure al ricevitore. Non solo devono essere note le statistiche per un particolare MCS utilizzato al momento ma devono essere note anche per tutti gli MCS gestibili dai 2 utenti che vogliono comunicare tra di loro. Servono misurazioni istantanee di valori come il rapposto segnale rumore, la Bit Error Rate (BER) oppure della Received Signal Strength (RSSI) che pero’, a causa dell’aleatorieta’ del canale, non possono dare un’indicazione accurata della qualita’ della comunicazione dell’utente. In seguito, vengono misurate statistiche di questi valori instan-tanei misurati precedentemente, come la media e la varianza. Basandosi su queste statistiche che danno un’indicazione piu’ accurata delle variazioni della risposta impulsiva del canale sperimentato dall’utente, sono introdotte delle funzioni costo che devono essere soggette ad un’operazione di massimizzazione. Una metrica di Goodput e’ definita come il rapporto tra il numero di bit dati inviati correttamente e il tempo totale necessario per la trasmissione. Questa grandezza tiene conto del rapporto segnale rumore misurato sul canale negli istanti precedenti. La scelta del Modulation e Coding Scheme piu’ adatto permette di massimizzare la metrica di Goodput e quindi permette all’utente di trasmettere garantendo la necessaria Qualita’ di Servizio richiesta. Non solo e’ possibile scegliere la modulazione e il rate del codice piu’ adatto alla trasmissione ma e’ necessario stabilire quanta potenza debba essere usata al trasmettitore per ogni combinazione di modulazione e codice possibile permessa dalla tecnologia a disposizione [5].

3.2 Strategie di Resource Allocation

3.2.1 Breve introduzione sulla RA dei principali Vendors a RF

La scelta iniziale del MCS su un nuovo link a RF ( Radio Frequenza ) dipende dalle stime dei parametri di qualita’ effettuati su questo nuovo canale, oppure possono essere scelti sulla base di valori presenti in una tabella definita dallo standard. Un utente che non trasmette dati puo’ misurare l’interferenza sui link che potrebbero essere candidati ad ospitare una trasmissione futura e sulla base di questi puo’ determinare quale sia la distribuzione della risposta impulsiva di questi canali. Nota quest’informazione, sceglie uno dei possibili MCS e continua ad utilizzare la modulazione e il rate del codice attribuitogli dall’algoritmo finche’ le caratteristiche del canale rimangono invariate, ma appena il sistema si accorge di una degradazione o di un miglioramento delle prestazioni deve cominiciare la procedura di adattamento dinamico e all’utente deve essere riservato un nuovo MCS.

3.2.2 Resource Allocation in Ericsson Devices

La patente ERICSSON [4] rilasciata il 26 dicembre del 2000, permette di capire quale strategia di allo-cazione dinamica di risorse venga utillzzata dai prodotti a RF dell’azienda Svedese.

Durante una comunicazione dati tra un Access Point ed un utente, i parametri di qualita’ del canale sono stimati basandosi sulle statistiche del canale che sono espresse in termini di media e varianza e che sono misurate nell’arco di un periodo predefinito. Paragonando i risultati ottenuti su uno dei link a disposizione, facendo variare il MCS possibili dalla tecnologia, e’ quindi possibile scegliere quale sia quello che massimizza la qualita’ della comunicazione per l’utente. Il parametro da massimizzare e’ il Throughput (S) dell’utente. Se e’ necessario cambiare MCS il sistema permette il cambiamento e misura nuovamente il parametro S, se effettivamente l’utente sperimenta una miglior qualita’ della comunicazione, il nuovo MCS viene mantenuto.

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Figure 3.1: Schema a blocchi Ericsson

Esempi di parametri che misurano la qualita’ di un link sono il rapporto segnale rumore, la misura della potenza del segnale ricevuto, la dispersione temporale oppure la BER: da queste misure istantanee vengono calcolate le statistiche di media e varianza su un intervallo temporale predefinito che in seguito saranno riportate ad un blocco chiamato SQL (Stimatore di qualita’ del link). In un qualsiasi sistema di comunicazione il compito di questo blocco e’ quello di mappare le statistiche reali misurate sul canale in valori di qualita’ di servizio legati ad un particolare schema di codifica e modulazione. In particolare la funzione di mapping sfrutta una tabella che e’ inizialmente costruita a partire dai valori di potenza e di modulazione permessi dallo standard e che poi possono essere aggiornati sulla base dei valori re-ali misurati durante la trasmissione. La parte importante della funzione e’ il fatto che sulla base delle statistiche misurate si ricava un parametro chiamato BLER ( Block Level Error Rate ), le cui stime sono utilizzate per misurare la qualita’ di canale sperimentata dall’utente in termini di Throughput S calcolato per tutti i MCS compatibili con la tecnologia 802.11 utilizzata. Sulla base delle statistiche del canale si va a scegliere il MCS piu’ adatto, in quanto il codice e la modulazione sono legate alla funzione di costo

(37)

S tramite una tabella.

La relazione che lega il Throughput Si, dove l’indice i e’ legato al particolare MCS scelto, e’ la

seguente:

Si= Ri(1 − BLERi)

Rie’ il rate alla quale avviene la comunicazione dell’utente e BLERidipende dai parametri misurati

sul canale.

L’algoritmo di decisione non termina con la scelta dello schema di modulazione e codifica adeguato ma necessita anche della scelta della potenza ottimale che deve essere usata dall’utente per trasmettere i suoi dati sfruttando la nuova combinazione. Basandosi sulle stime del rapporto segnale rumore medio (C_I)mutilizzate per determinare il parametro di BLER e misurando la potenza P ad un particolare istante

e’ possibile definire il valore ottimo della potenza Popt:

Popt(i) = P + ( C I)opt− mean(( C I)) (C

I)opt e’ un valore ottimo di rapporto segnale rumore tabulato legato alla nuova combinazione di

codice e modulazione e(C_I) e’ la collezione di misure di rapporto segnale rumore misurato in un inter-vallo determinato.

Non e’ detto che il nuovo valore di Potenza da utilizzare possa essere utilizzato dal trasmettitore senza eccedere il suo valore massimo di Potenza consentito, di conseguenza e’ necessaria un’operazione di troncamento:

Popt(i) = min[Pmax, max(Pmin, Popt(i))]

Se la potenza ottima da utilizzare e’ maggiore della potenza massima che il trasmettitore puo’ fornire, allora l’algoritmo permette al trasmettitore di mandare dati con la potenza massima, qualora invece la potenza ottima sia inferiore alla potenza minima allora l’algoritmo setta la potenza da utilizzare al livello minimo.

Un piccolo esempio e’ fornito nel caso della scelta tra due MCS: in un generico istante t la potenza del trasmettitore Pt = 20 dBm e il range di potenze permesso dal trasmettitore varia tra [5, 33] dBm.

Il rapporto segnale rumore misurato e’ pari a 8dB. Per la prima combinazione di modulazione e codice il parametro (C/I)opte’ pari a 12 dB, per la seconda invece e’ 27 dB. Affinche’ possano essere usate

entrambe le combinazioni, in intervalli temporali diversi, e’ necessario che il trasmettitore aumenti la sua potenza rispettivamente di 4 dB e 19 dB. Per la prima combinazione non abbiamo problemi in quanto Popt(1) e’ pari a 24 dBm, mentre la seconda combinazione necessita di una potenza pari a 39

dBm superiore al massimo consentito. Di conseguenza ci si dovra’ accontentare di prestazioni sotto-ottimizzate con una potenza del trasmettitore pari a Pmax.

(38)

Figure 3.2: Power Allocattion Ericsson

3.2.3 Resource Allocation in Broadcom Devices

3.2.4 Introduzione

La patente ERICSSON [6] permette di capire quale strategia di allocazione dinamica di risorse venga utillzzata dai prodotti a RF dell’azienda Americana. La comunicazione tra 2 utenti e’ caratterizzata da 2 fattori: distanza relativa e livello di interferenze. La distanza tra trasmettitore e ricevitore e’ un fattore molto importante nelle comunicazioni: il Pathloss e’ una grandezza al denominatore e ha un compor-tamento quadratico, di conseguenza se vogliamo una comunicazione affidabile tra utenti o tra utenti e Access Point siamo costretti ad utilizzare un rate di codifica molto basso e uno schema MCS decisa-mente orientato all’affidabilita’. Inoltre, le comunicazioni wireless possono soffire dell’interferenza di altri dispositivi presenti nella banda comune alla trasmissione come forni a microonde, telefoni cordless e devices Bluetooth. Anche a causa di questi motivi la velocita’ trasmissiva tende ad essere bassa per mantenere alto il livello di Throughput che puo’ essere misurato in termini di Packet Error Rate (PER). Non e’ comunque detto che una qualsiasi trasmissione a basso data rate abbia un alto throughput. Infatti per questo tipo di Resource Allocation, il livello medio di PER per utente non deve scendere sotto il 5% e in base a questa soglia il rate della trasmissione viene alzato oppure abbassato. Possiamo mis-urare il Throughput sfruttando il parametro RSSI che misura l’intensita’ del segnale ricevuto all’antenna ricevente.

3.2.5 Descrizione tecnica dell’algoritmo

L’algoritmo permette un adattamento dinamico dopo aver calcolato un parametro di ottimizzazione che si basa sulle stime della Packet Success Rate ( PSR ) misurate per il rate attuale e per gli altri possibili. Queste stime possono essere ottenute avvalendosi delle informazioni ricavate dai precedenti frame di acknowledgement ( ACK ). Quando un dispositivo riceve frames esso puo’ generare frame di feedback che vengono trasmessi verso la STA che ha trasmesso i dati. Questo tipo di frame puo’ trasportare infor-mazioni relative all’avvenuta ricezione del frame e il numero di subframes correttamente ricevuti rispetto al totale. Quest’ informazione e’ utile al device trasmittente per capire quali subframes ritrasmettere al solito rate delle trasmissioni precedenti. Qualora i problemi sul canale persistessero e costringessero il trasmettitore a ritrasmettere il subframe fino a raggiungere il numero massimo di ritrasmissioni al-lora e’ necessario che il trasmettitore abbassi il proprio rate trasmissivo ed invii i subframes rimanenti al Fallback rate che e’ piu’ basso del Current rate utilizzato fino a quel momento sul canale. Utiliz-zando il fallback rate aumenta la probabilita’ di ricevere correttamente i frames a destinazione essendo un particolare MCS caratterizzato da una maggior affidabilita’ rispetto al current.

(39)

Figure 3.3: Moduli logici broadcom

La figura 3 mostra il sistema di comunicazione utilizzato come esempio: esso contiene un modulo di formazione del pacchetto, un modulo di management per interfacciare livello mac e livello fisico, un modulo per l’inizializzazione del link e un ultimo modulo che sceglie il rate con cui inviare i frames informativi. Non e’ detto che siano 4 moduli separati fisicamente ma tutte le componenti del sistema permettono ad alto livello di portare a termine un’opportuna allocazione di risorse. Il modulo di Packet Formation permette di scegliere se aggregare o meno piu’ frames e informa il modulo di interfacciamento tra Mac e Phy su come trasmettere i frames . Inoltre contiene un sottomodulo interno che permette di distinguere le varie istruzioni tra i frame dati, di management e di controllo. Il modulo di Management si occupa di trasmettere i pacchetti sul canale e di generare in seguito un report sui risultati della trasmis-sione sfruttando i frame di ritorno dal ricevitore oppure sfuttando un meccanismo di time-out entro il quale devono arrivare gli ACK di ritorno. Il report viene inviato al primo blocco che ritrasmette i dati oppure modifica i parametri di trasmissione in modo tale da trasmettere i frames successivi per far rag-giungere all’utente un Throughput piu’ elevato. Il modulo di Inizializzazione entro in gioco quando una richiesta di modifica del rate proveniene dal primo modulo: viene quindi utilizzata una routine di inizial-izzazione che permette al terzo blocco di inserire un rate diverso dal current rate all’interno del packet formation module. Il quarto e ultimo blocco e’ composto da un sottomodulo che misura la qualita’ del link, da una tabella contenente i possibili rate e da un database. Il modulo che misura la qualita’ del link permette di aggiornare le informazioni contenute nel database e i possibli rate sui vari link, collegati alle varie statistiche del database, se vengono aggiornati, sono forniti al Packet Formation Module.

3.2.6 Procedura per la scelta del Rate

Per la procedura di allocazione dinamica si deve tenere conto che ogni frame possa essere trasmesso sia una volta sola oppure ritrasmesso piu’ volte fino a che sia giunta al trasmettitore la conferma di corretta ricezione attraverso un feedback frame ACK. Se viene superato il numero massimo di ritrasmissioni e non e’ ancora giunto al trasmettitore l’atteso frame ACK allora si deve abbassare il rate in modo tale da ottiene il frame ACK entro il limite massimo di ritrasmissioni. Ad ogni corretta ricezione si deve aggiornare il parametro PSR ( Packet Success Rate) e si calcola il valore 1−P ER che descrive il numero di frame ricevuti correttamente rispetto ai frame totali inviati misurati al current rate oppure al fallback rate. Vengono quindi calcolate le stime dei parametri P SRcre P SRf busando delle finestre mobili in

intervalli temporali predeterminati che misurano la storia dei pacchetti inviati. Il nuovo parametro PSR viene aggiornato pesando opportunamente i dati passati e i dati piu’ recenti.

Criteri ed Algoritmi di Channel Sensing e Resource Allocation applicabili a reti Wi-Fi IEEE 802.11

U

P

D

I

’I

T

M

I

T

C

RITERI ED ALGORITMI DI

C

HANNEL

S

ENSING

E

R

ESOURCE

A

LLOCATION APPLICABILI A

RETI

W

I

-F

I

IEEE 802.11

Alessio Benetelli

Prof. Marco Luise

Prof. Luca Sanguinetti

Ing. Carmine Vitiello

Abstract

Contents

List of Figures

CHAPTER

1

Introduzione

CHAPTER

2

Livello Fisico 802.11g

2.1

Introduzione alle caratteristiche di trasmissione

2.1.1

Formato della Trama di Livello Fisico 802.11g

2.1.2

Preambolo e Header OFDM 802.11

2.1.3

Campo dati della trama di livello fisico 802.11g

2.1.4

Operazioni di Scrambling, Encoding Convoluzionale ed Interleaving

2.1.5

Modulazione e Mapping dei simboli

2.1.6

Parametri in trasmissione e ricezione

2.2

Archittetura del sistema 802.11

2.2.1

Formato del Frame di Livello MAC

2.2.2

Formato dei Frame di Controllo utili al Channel Sensing

2.3

Channel Sensing

2.3.1

Meccanismo di Carrier Sensing

2.3.2

Contention Window

2.3.3

Procedura di Accesso al Mezzo

2.3.4

Ack Procedure

CHAPTER

3

Waveforms

3.1

Resource Allocation

3.2

Strategie di Resource Allocation

3.2.1

Breve introduzione sulla RA dei principali Vendors a RF

3.2.2