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    Redes Inalmbricas y Computacin Ubicua/2006-2007

    Tema 3.-

    Tecnologas inalmbricas de red Aspectos bsicos de las comunicaciones inalmbricas

    o Conceptos bsicoso Modelos de propagacin

    Gran escalaPequea escala

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    Decibelios

    Los dB (deciBel) son una unidad adimensional utilizada pararepresentar ratios y ganancias en escala logartmica

    o Las ganancias se suman en vez que multiplicarse

    Ejemplo: clculo de la atenuacin T-Ro P T=100, P R=10

    o [P T/P R]dB = 10 log(P T/P R) = 10 log(10) = 10 dB

    Valores tiles:o [1/2] dB -3 dBo [1/1000] dB = -30 dB

    Permiten expresar valores absolutos:o [n mW] dBm = [n/mW] dB Ej.: [1mW] dBm = 0 dBmo [n W] dBW = [n/W] dB Ej.: [1 mW] dBW = -30 dBW

    De decibelios a potencia: P = 10dB/10

    )log(log10log10 121

    2101

    2 p p p p

    p p

    dB=

    =

    dbm watt0 0.001

    10 0.01

    20 0.130 140 10

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    Antenas: conceptos bsicos

    Non Isotropic Antennao Irradia la energa que recibe solo

    en una seccin del espacio que

    la rodea.

    Isotropic Antennao Irradia la energa que recibe en

    todo el espacio que la rodea.

    YAGI Directional Antenna

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    Antena Yagi exterior (13,5 dBi)

    Alcance: 6 Km a 2 Mb/s2 Km a 11 Mb/s

    Antena Parablica exterior (20 dBi)

    Alcance: 10 Km a 2 Mb/s4,5 Km a 11 Mb/s

    Antenas de largo alcance

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    Antena dipolo diversidad paraefectos multipath

    Antena de parche para montajeen pared interior o exterior (8,5 dBi)

    Alcance: 3 Km a 2 Mb/s1 Km a 11 Mb/s

    Horizontal Radiation

    Ms ejemplos de antenas

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    Bandas sin licencia en USA

    Industrial, Scientific, and Medical (ISM)o 902 928 MHz band.

    Ahora en disuso para WLAN

    o 2400 2483.5 MHz ISM band.

    Unlicensed National Information Infrastructure (UNII):o 5.15 5.25 GHz.o 5.25 5.35 GHz.o 5.725 5.850 GHz ISM band.

    ExtremelyLow

    VeryLow

    Low Medium High VeryHigh

    UltraHigh

    Super High

    Inf rar ed Vi si bl eLight

    Ultra-violet

    X-Rays

    Audio AM BroadcastShort Wave Radio FM Broadcast

    Television Infrared w ireless LAN

    902 - 928 MHz26 MHz

    Cellul ar (840MHz)NPCS (1.9GHz)

    2.4 - 2.4835 GHz83.5 MHz

    (IEEE 802.11)

    5 GHz(IEEE 802.11)

    HyperLANHyperLAN2

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    Bandas sin licencia en Europa

    Bandas aprobadas por el CEPT (European Conference of Postaland Telecommunications Administrations)

    2400 2483.5 MHz, basada en la ISM.5.15 5.35 GHz.5.470 5.725 GHz.

    ExtremelyLow

    VeryLow

    Low Medium High VeryHigh

    UltraHigh

    Super High

    Inf rar ed Vi si bl eLight

    Ultra-violet

    X-Rays

    Audio AM BroadcastShort Wave Radio FM Broadcast

    Television Infrared w ireless LAN

    Cellul ar (840MHz)NPCS (1.9GHz)

    2.4 - 2.4835 GHz83.5 MHz

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    5 GHz(IEEE 802.11)

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    Europe19 Channels

    (*assumes noantenna gain)

    1W200mW

    Detalles de la banda de 5 GHz

    5.15 5.35 5.470 5.725 5.8255 GHzUNII Band

    5.25

    UNII-1: Indoor Use, antenna must be fixed to the radioUNII-2: Indoor/Outdoor Use, fixed or remote antennaUNII-3: Outdoor Br idging Only (EIRP limit is 52 dBm if PtP)

    UNII-140mW

    (22 dBm EIRP)

    UNII-2200mW

    (29 dBm EIRP)

    US (FCC)12 Channels(*can use up to

    6dBi gain antenna)

    UNII-3800mW

    (35 dBm EIRP)

    4 Channels

    *if you use a higher gain antenna, you must reduce the transmit power accordingly

    4 Channels 4 Channels11 Channels

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    Calculo del Power Budget

    PP rxrx == PP txtx+G+G papa --GG txltxl+G+G txatxa --LLpathpath +G+G rxarxa +G+G rara --GG rxlrxlo P tx[dBm]=Power generated by TXo G pa [dB]=Gain of the Power Amplifier

    o G txa [dBi]=Gain of TX antennao G txl[dB]=Gain (loss) of transmission lineo Lpth [dB]=Loss of the transmission mediumo G rxa [dBi]=Gain of RX antenna

    o G ra [dB]=Gain of the Receive Amplifier o G rxl[dB]=Gain (loss) of receiving lineo P rx[dBm]=Power receivedo S r [dBm]=Sensivity of receiver G txl

    Debe valer la condicinDebe valer la condicin PrxPrx >> Sr Sr

    EIRP (Effective Isotropically RadiatedPower) = P tx+Gpa+G txa-Gtxl

    TX P A

    RXR A

    P tx G pa G TXA L path G rxa G ra S r

    G txl G rxl

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    Representacin grafica del power budget

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    Caractersticas del canal inalmbrico

    Theodore S. Rappaport , Wireless Communications : Principlesand Practice , Prentice Hall, July 1999

    El canal inalmbrico sufre de los efectos de los dos siguientesfenmenos:

    o Distancia Path attenuation (Large scale fading )

    o Multipath (Small scale fading )dispersin en el tiempo debida a los diferentes caminos de la seal

    La seal verde recorre 1/2 ms de la lnea enamarillo. El receptor recibe la seal en rojo.

    Para f = 2,4 GHz , = c/f = 12.5cm

    La seal verde recorre 1/2 ms de la lnea enamarillo. El receptor recibe la seal en rojo.

    Para f = 2,4 GHz , = c/f = 12.5cm

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    Mecanismos/modelos de propagacin

    Propagacin Free Spaceo Solamente ondas directas. Ejemplos: regiones cerca de la fuente,

    cmaras anecoicas, antenas muy elevadas.

    Propagacin terrestre:o Contacto visual (tierra plana):

    Refraccin ( Refraction ): depende del tipo de los materiales conductores odielctricos

    o Tierra esfrica:Diffraction: z onas de Fresnel

    Propagacin en el espacio:

    o Scattering , absorcin, ...

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    Propagacin free space

    Calculo de la potencia recibida cuando T&R tienen contacto visual(LOS)

    o la atenuacin de la seal que resultara eliminando todos los efectos deabsorcin, difraccin, obstruccin, reflexin, dispersin.

    Ecuacin de Friis :

    Valida solo para d en la regin de Fraunhofer (far-field region ):el rea alrededor de una antena en la cual la radiacin aparecevenir de un solo punto

    d > df = 2D 2/;

    D es la dimensin ms grande de la antena longitud de onda de la portadora

    222

    2

    )4()(

    d P

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    GGPd P t r t t r ==

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    Difraccin

    La difraccin ocurre cuando una ondagolpea el borde de un obstculo

    o El exceso de longitud del recorridoproduce un desplazamiento de fase

    o Las zonas de Fresnel meten enrelacin los desplazamientos de fasecon la posicin de los obstculos

    Las zonas de Fresnel son elipses con T y Ren los focos

    o L1 = L2+ o El campo visual (line of sight, LOS)corresponde a la primera zona

    o Si la LOS est parcialmentebloqueada la zona 2 puede interferir

    de forma destructiva

    T R

    1st Fresnel zone

    Obstruction

    Path 1

    Path 2

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    Redes Inalmbricas y Computacin Ubicua/2006-2007

    Tema 2.-

    Tecnologas inalmbricas de red Aspectos bsicos de las comunicaciones inalmbricas

    o Conceptos bsicos

    o Modelos de propagacinGran escalaPequea escala

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    Modelos de propagacin

    Gran escala ( large scale ): predicen el comportamiento de una sealpromediado sobre grandes distancias ( )

    o Depende de la distancia y de las caractersticas relevantes del entornoo Bsicamente independiente de la frecuencia

    Pequea escala ( small scale fading ): describen las variaciones delas seal en escala con

    o Domina el efecto del Multipath (phase cancellation ). La atenuacin sepuede considerar constante

    o Depende de la frecuencia y del ancho de bandao Fading: representa cambios rpidos de la seal sobre pequeas

    distancia o intervalos temporales

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    Comparacin

    Distancia

    P o t e n c i a

    10-100 m

    (1-10 secs)

    0.1 -1 m(10-100 msecs)

    Exponencial

    Large-scale Fading

    Small-scale Fading

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    Modelos de propagacin a gran escala: path loss

    Se refiere al calculo de la potencia de la seal en el receptor enbase a la distancia d entre transmisor ( T) y receptor ( R)

    Calculo del path loss : PL(d) = PL (d 0)+10 nlog(d/d 0) (dB)

    PL(d 0) se calcula con la ecuacin de Friis, considerando G t=G r =L=1 :

    =

    ==

    d

    d PP

    d PLr

    t )4(

    log20)4(log10log10)( 222

    0

    T Rd

    d0

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    Modelos de propagacin a gran escala: path loss un ejemplo

    Datos: d=10km, f=900MHz, =c/f = 3*10 8/9*10 8 = 1/3mo d 0=1km

    PL(d 0) = 20log(4 1000/ ) = 91,5 dB

    o free space n=2PL(d) = PL (d 0)+10nlog(d/ d 0)= 91,5 + 10*2*log(10000/1000)= 111,5 dB

    o ciudad n=3.5

    PL(d) = PL (d 0)+10nlog(d/ d 0)= 91,5 + 10*3.5*log(10000/1000)= 126,5 dB 4-6Indoor no LOS

    1.6-1.8Indoor LOS

    3-5Shadowed urban area

    2.7-3.5Urban area

    2Free space

    nEnvironment

    T Rd

    d0d f

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    Modelos de propagacin a gran escala: modelos para exteriores

    Modelos: 2-Ray Ground Reflectiono para d >> h r h t,

    El bajo ngulo de incidencia permite a latierra de actuar como un reflector

    La seal reflejada tiene un desfase de 180 P r 1/d 4 (n=4)

    Modelos de difraccin para terrenosmontaosos ( hilly terrain )

    o La propagacin puede pude ser LOS oresultar en la difraccin en las variascrestas

    o Si no hay LOS la difraccin puede ayudar

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    Phase shift!

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    Modelos de propagacin a gran escala: modelos para interiores

    En los modelos para interiores se puede generalizar menos:o El entorno es ms dinmicoo Las caractersticas importantes son mas pequeaso Distancias son ms cercanas al near-fieldo Ms clutters , hay scattering , menos LOS

    Tcnicas de modelado:o Log-Normal , n

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    Propagacin radio en un entorno cerrado

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    Modelos de propagacin a pequea escala:efectos del Multipath

    Pequea escala ( small scale fading ): describen las variaciones delas seal en escala con

    o Domina el efecto del Multipath (phase cancellation ). La atenuacin sepuede considerar constante

    o Depende de la frecuencia y del ancho de bandao Fading: representa cambios rpidos de la seal sobre pequeas

    distancia o intervalos temporales

    Rpidas variaciones de la potencia de la seal a causa de la

    cancelacin de faseModulacin de la frecuencia producida por Doppler shifts a causadel movimiento de R o T

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    Modelos estadsticos del fading

    Los modelos de Fading modelan la probabilidad de fading endeterminadas localizacionesLos modelos ms sencillos estn basados en el principio deWSSUS

    o Wide Sense Stationary (WSS)Las estadsticas son independientes de pequeas perturbaciones en eltiempo y posicinEs decir, parmetros estadsticos fijos para nodos estacionarios

    o Uncorrelated Scatter (US)

    Los diferentes paths no estn correlatos en fase o atenuacinEs decir, Las componentes multipath componentes pueden ser VCindependientes

    Distribuciones comuneso Rayleigh fading distribution

    Models a flat fading signalUsed for individual multipath components

    o Ricean fading distributionUsed when there is a dominant signal component, e.g. LOS + weaker multipaths

    parameter K (dB) defines strength of dominant component; for K=- ,equivalent to Rayleigh

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    Redes Inalmbricas y Computacin Ubicua/2006-2007

    Tema 3.- Tecnologas inalmbricas de red

    Redes WLAN: IEEE 802.11o la capa fsica

    o la capa MACo calidad de servicio: 802.11eo seguridad: WAP y 802.11i

    o MIMO: 802.11no herramientas de gestin

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    Redes Inalmbricas y Computacin Ubicua/2006-2007

    Tema 3.- Tecnologas inalmbricas de red

    Redes WLAN: IEEE 802.11o la capa fsica

    o la capa MACo calidad de servicio: 802.11eo seguridad: WAP y 802.11i

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    El estndar IEEE 802.11

    En el 1997 nace el:o IEEE Working Group for WLAN Standards:

    http://grouper.ieee.org/groups/802/11/index.html

    Se define el MAC y tres diferentes niveles fsicos, que operan a

    1Mbps y 2Mbps:o Infrarrojos (IR) en banda baseo Frequency hopping spread spectrum (FHSS), banda de 2,4 GHzo Direct sequence spread spectrum (DSSS), banda de 2,4 GHz

    IEEE Std 802.11b (septiembre 1999):o Extensin de DSSS; hasta 11 Mbps

    IEEE Std 802.11a (diciembre 1999):o Otro estndar de nivel fsico (OFDM):

    Orthogonal frequency domain multiplexingo Hasta 54 Mbps

    IEEE Std 802.11g (junio 2003)...

    PHYLayer

    Infra-Red(IR)

    5 GHz (OFDM)Orthogonal Frequency Division Multiplexing

    2.4 GHz (DSSS)Direct Sequence Spread Spectrum

    2.4 GHz (FHSS)Frequency Hopping Spread Spectrum

    802.11 IR1 / 2 Mbit/s

    802.11b / TGbHigh Data Rate Extension5.5/11 Mbit/s

    802.11b-cor1 / TGb-cor1Corrigendum MIB

    802.11g / TGgData Rates >20 Mbit/s

    802.11d / TGdRegulatory Domain Update

    802.11 FHSS1 / 2 Mbit/s

    802.11 DSSS1 / 2 Mbit/s

    802.11a / TGaHigh Data Rate Extension

    6/12/24 Mbit/sOptional 9/18/36/54 Mbit/s

    802.11h / TGhSpectrum Managed

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    WLANs Next Gemeration SCGlobalization &Harmonization

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    Tcnicas de Spread Spectrum

    Beneficioso No se producen interferencias

    con otras sealeso Mayor inmunidad al ruido

    o Difciles de interceptar Frequency Hopping (FHSS)o Utiliza una de 78 secuencias del

    salto. Salto a un nuevo canal del1MHz (sobre un total de 79 canales)por lo menos cada 400milliseconds

    o Requiere la adquisicin y lasincronizacin del salto

    Direct Sequence (DSSS)o Utiliza uno de los 11 canales

    solapados y multiplica la seal para

    una secuencia de spreading paraensanchar datos a 1M-symbol/secdata sobre 11MHz

    X

    =

    symbol

    Barker sequence

    Result of multiplication

    Symbol time t s1 0

    Chip time t c

    TimeTime

    f f 33f f 22f f 11

    f f 44f f 55f f 66f f 77

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    802.11 DSSS Radio Interface

    1 Mbpso 1 Msymbol/s BPSK spread by 11 chip Barker code,o (-4 dB Bandwidth = 11 MHz, main lobe = 22 MHz),o IEEE 802.11

    2 Mbpso 1 Msymbol/s QPSK spread by 11 chip Barker codeo (-4 dB Bandwidth = 11 MHz, main lobe = 22 MHz),o IEEE 802.11

    5.5 Mbpso 2 Msymbol/s QPSK like symbols spread by 8 chip Complementary Code Keying

    (CCK).o IEEE 802.11b

    11 Mbpso 4 Msymbol/s QPSK like symbols spread by 8 chip Complementary Code Keying

    (CCK).o IEEE 802.11b

    54 Mbpso OFDM with max. 52 sub-carriers,o IEEE 802.11a / IEEE 802.11g

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    802.11 DSSS Frame Format

    PPDU: PLCP protocol data unit

    o Durante la transmisin las MPDU son precedidas por el prembulo y la cabecera del PLCP para crear la PPDUo El prembulo y la cabecera del PLCP son transmitidas utilizando una modulacin DBPSK a 1 Mbit/so Todos los bits son scrambled para obtener la funcin de data whitener

    Synchronization (SYNC) fieldo Field allows receiver to perform necessary SYNC operationso Also provides for:

    gain setting, energy detection, antenna selection, frequency offset compensation

    Start Frame Delimiter (SFD) fieldo Indicates start of PHY-dependent parameters within PLCP PreambleSIGNAL field

    o Indicates to PHY the modulation used for transmission (and reception) of the MPDUo Data rate = signal field value x 100 kbit/s

    SERVICE fieldo Reserved for future use. Value of 00 signifies IEEE 802.11 device compliance

    LENGTH fieldo Unsigned 16-bit integer. Indicates time (in S) required to transmit the MPDU

    Header Error Check (HEC) fieldo SIGNAL, SERVICE, and LENGTH fields protected with a CCITT CRC-16 Frame Check Sequence (FCS)o All FCS calculations made prior to data scrambling

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    802.11b High Rate DSSS Frame Format

    Extension of IEEE 802.11 DSSS format Additionally provides 5.5 Mbit/s and 11 Mbit/s data ratesUses same PLCP preamble and header as DSSS

    o both PHYs can co-exist in the same BSSo can use the rate switching mechanism as provided.

    Two different preambles and headers are defined:o Long Preamble & Header

    mandatory & supportedinteroperates with the current 1 Mbit/s and 2 Mbit/s DSSS spec

    o Short Preamble & Header optionalwhere maximum throughput is desired

    expected to be used only in networks of like equipment

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    0HR/DSSS: Long Frame Format

    Same format as IEEE 802.11 DSSS FrameThe only exceptions are:

    o Encoding of the rate in the SIGNAL field. Represent rate in units of 100 kbit/s0A for 1 Mbit/s, 14 for 2 Mbit/s, 37 for 5.5 Mbit/s, 6E for 11 Mbit/s

    o SERVICE fieldRightmost bit (bit 7) used to supplement LENGTH field

    resolve an ambiguity in PSDU length in octets, when length expressed in S

    Bit 3 used to indicate whether modulation method is CCK or PBCC Bit 2 used to indicate that transmit frequency and symbol clocks are derived from same oscillator

    An IEEE 802.11-compliant device shall set values of bits b0, b1, b4, b5, and b6 to 0

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    0HR/DSSS: Short Frame Format

    Short Synch fieldo Consists of 56 scrambled 0 bits.o So receiver can perform necessary SYNC

    Start Frame Delimiter (SFD) field

    o Time reverse of long PLCP SFD fieldo Not detected by non-compliant receivers

    SIGNAL fieldo Only 1 Mbit/s removed

    o Remaining fields same as HR DSSS Long Frame format

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    0Los canales de 802.11b Overview

    El estndar prev 14 canales de 22 MHz de amplitudo el FCC solo utiliza los primeros 11o en Espaa solo el 10 y el 11

    3 canales que no solapan (1, 6,11)data rate de 11 MbpsTres puntos de acceso pueden estar cerca para obtener un total de 33 Mbps dethroughput agregado

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    0estndar IEEE 802.11a

    5 GHz, 54 Mbps, OFDM technologyo Data rates supported: 54, 48, 36, 24, 12, and 6 Mbpso Can downshift to lower data rates for longer range

    Worldwide compatibility issues for 5 GHz bando Effort underway to allow 802.11a operation in European countrieso Long-term: Worldwide usage with adoption of Transmit Power Control

    (TPC) and Dynamic Frequency Selection (DFS) per 802.11h standard

    5 GHz band has more channels than 2.4 GHz bando UNII-1 + UNII-2 = 8 non-overlapping channels (vs. 3 channels for

    2.4GHz)

    5 GHz band subject to less interference than 2.4 GHz ISM bando However, 2.4GHz interference not a major problem in most business

    environments

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    0estndar IEEE 802.11g

    Ratificado en junio del 2003 por el IEEE Standards Boardo draft standard preliminar presentado en diciembre de 2001;o ultimo draft v8.2

    Utiliza la banda de 2.4 GHzo modulacin OFDM y codificacin PBCC

    Compatible hacia atrs con IEEE 802.11bo Pueden co-existir en la misma WLAN

    Nuevas velocidades de transmisin suportadas:o 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 & 54 Mbps

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    Ejemplo de parmetros fsicos de un dispositivo real

    DATA SHEET de un Cisco Aironet 802.11a/b/g CardBus WirelessLAN Client Adapter

    Link:http://www.grc.upv.es/docencia/cosas/products_data_sheet09186a00801ebc29.html

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    Tema 3.- Tecnologas inalmbricas de red

    Redes WLAN: IEEE 802.11o la capa fsica

    o la capa MACo calidad de servicio: 802.11eo seguridad: WAP y 802.11i

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    / 2 0 0 6 - 2 Arquitecturas disponibles

    Independent Basic Service Set (IBSS)o Estructura descentralizadao Flexible:

    Redes pequeas y grandes,Redes transitorias y permanentes

    o Control del consumo de potencia

    infrastructure Basic Service Set (BSS)o Componentes:

    Estacin (STA)

    Access Point (AP)o Point Coordinator (PC)

    o Basic Service Set (BSS)o Extended Service Set (ESS)

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    El MAC t g d d t fi bl

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    / 2 0 0 6 - 2 El MAC: entregas de datos fiable

    CSMA/CA con binaryexponential backoff El protocolo mnimo consiste dedos tramas: los datos y el

    correspondiente ACKPointCoordinationFunction (PCF)

    Distributed CoordinationFunction (DCF)

    M A C

    Servicios sincontienda

    Servicios concontienda

    DIFS DIFS

    PIFS

    SIFS

    ventana de contienda

    defer access

    busy medium

    s l o t

    Los 5 valores de timing: Slot time SIFS: short interframe space (< slot

    time) PIFS: PCF interframe space (=SIFS+1slot) DIFS: DCF interframe space (=SIFS+2slots) EIFS: extended interframe space

    Los 5 valores de timing: Slot time SIFS: short interframe space (< slot

    time) PIFS: PCF interframe space (=SIFS+1slot) DIFS: DCF interframe space (=SIFS+2slots) EIFS: extended interframe space

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    Estructura de las tramas

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    / 2 0 0 6 - 2 Estructura de las tramas

    FrameControl

    FrameControl

    Duration /ID

    Duration /ID Addr. 1 Addr. 1 Addr. 2 Addr. 2 Addr. 3 Addr. 3

    Seq.Control

    Seq.Control Addr. 4 Addr. 4 FCSFCS

    2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4

    management (00) control (01), data (10), reserved (11)

    Tipos de direcciones:

    Source address (SA)

    Destination Address (DA)

    Transmitter Address (TA) Receiver Address (RA)

    BSS identifier (BSSID)

    Tipos de direcciones:

    Source address (SA)

    Destination Address (DA)

    Transmitter Address (TA)

    Receiver Address (RA)

    BSS identifier (BSSID)

    SADATARA11Wireless DS

    -DASARA = BSSDI01To the AP

    -SABSSDIRA = DA10From the AP

    -BSSDISARA = DA00IBSS

    Addr. 4 Addr. 3 Addr. 2 Addr. 1FromDSToDSFuncin

    FrameBody

    FrameBody

    prot.vers

    prot.vers typetype subtypesubtype

    ToDS

    ToDS

    FromDS

    FromDS

    Morefrags

    Morefrags retryretry

    Power mgt

    Power mgt

    Moredata

    Moredata WEPWEP order order

    2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1 bits

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    Addressing and DS bits

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    Addressing and DS bits

    SADATARA11Wireless DS

    -DASARA = BSSDI01To the AP

    -SABSSDIRA = DA10From the AP

    -BSSDISARA = DA00IBSS

    Addr. 4Addr. 3Addr. 2Addr. 1FromDS

    ToDS

    Funcin

    Server

    DA

    DSRA (BSSID)

    SA/TA

    Client AP

    Server

    SA AP

    AP

    TA

    Client

    RA

    DA

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    Ejemplo de funcionamiento del DCF

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    / 2 0 0 6 - Ejemplo de funcionamiento del DCF

    Los intervalos de backoff son escogidos dentro de la congestionwindow . Es decir en el intervalo [0, CW]La CW puede variar entre 31 slots (CW min) y 1023 slots (CW max )CW se incrementa despus de una transmisin fallida y se re-inicializa despus de una transmisin con xito

    data

    wait

    B1 = 5

    B2 = 15

    data

    wait

    B1 = 25

    B2 = 20

    B1 y B2 son intervalos de backoff en las STA 1 y 2CW = 31

    B2 = 10

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    Otro ejemplo

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    / 2 0 0 6 Otro ejemplo

    El transmisor utiliza CW = CWmin (15 slots) del 802.11a y ha seleccionado unrandom backoff time de 12 slots.

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    Situaciones problemticas

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    / 2 0 0 6 Situaciones problemticas

    Exposed nodeHidden node

    A

    B

    C

    A

    B C

    D

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    Hidden nodes

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    Obstacle Null

    Opposite Side of AP

    The receivedsignals cancelone anotherresulting in aNULL signal

    The obstacleprevents MU1 andMU2 from hearingone another

    MU3 cannot hearMU1 or MU2because of thedistance

    Hidden nodes

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    Mecanismo RTS/CTS

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    / 2 0 0 6 eca s o S/C S

    Se basa en el network allocation vector (NAV)

    RTSDIFS

    CTSSIFS

    data

    ACKSIFS SIFS

    DIFS

    NAV (RTS)NAV (CTS)

    fuente

    destino

    otro STA

    defer access

    ventana de contienda

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    PCF: Point Coordination Function

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    Data+Poll

    DATA+ACK Beacon

    Data+Poll

    ACK

    Station 2 sets NAV(Network Allocation Vector)

    CF-End

    PIFS SIFS SIFS SIFS SIFS

    SIFS(no response)

    PIFS

    CP

    PC

    STA1

    Contention Free Period CP

    Data+Poll

    SIFS

    STA2 NAVReset

    TimeSTA3 Station 3 is hidden to the PC, it does not set the NAV.It continues to operate in DCF.

    Los beacon se utilizan para mantener la sincronizacin de los timersen las estaciones y para enviar informacin de control El AP genera los beacon a intervalos regulares Las estaciones saben cuando llegar el siguiente beacon

    los target beacon transmission time (TBTT) son anunciados en elanterior beacon

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    Servicios

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    La arquitectura IEEE 802.11 define 9 servicios: para la estacin ypara la distribucinStation services:

    o Authentication

    o Deauthenticationo Privacy WEPo Data delivery

    Distribution services:

    o Association genera una conexin entre STA y APo Disassociationo Reassociation como association pero informando del AP anterior o Distribution

    o integration conexin de la WLAN con otras LANs;uso de un portal

    Parecidos a conectar/desconectarel cable en una red tradicional

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    Variables de estado y servicios

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    State 1:unauthenticated,

    unassociated

    State 1:unauthenticated,

    unassociated

    State 2:authenticated,unassociated

    State 2:authenticated ,unassociated

    State 3:authenticated,

    associated

    State 3:authenticated,

    associated

    Disassociation notification

    Successful authentication Deauthentication notification

    Successful authenticationor reassociation

    Class 1, 2 & 3frames

    Class 1 & 2frames

    Class 1frames

    Deauthentication notification

    En una IBSS no hay niauth., ni ass. Sepermite laimplementacin deldata service

    Una STA puedeestar autenticadapor varios AP peroasociada con soloun AP

    Una STA puedeestar autenticadapor varios AP peroasociada con soloun AP

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    Scanning

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    Parmetros : BSStype, BSSID, SSID, ScanType, ChannelList,ProbeDelay, Min/MaxChannelDelayScanType : Pasivo

    o Las estaciones esperan beacons de los APs

    ScanType : Activoo Las estaciones envan probe requests

    Se genera un scan reportLa fase siguiente es la fase de joining; esta fase precede lasecuencia de acciones hasta llegar a la asociacin

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    BSSID y SSID

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    BSSID (Basic Service Set Identity )o BSS: direccin MAC del APo Ad-Hoc: numero random de 46 bit

    SSID (Service Set ID )o Conocido como el Network Name por que bsicamente es el nombre

    que identifica la WLANo Longitud: 0~32 octetos

    0: el broadcast SSIDo Gestionado manualmente o de forma automticao identificador nico de 32 caractereso sirve para diferenciar las WLAN entre ellaso Los puntos de acceso y las estaciones que quieran conectarse a una

    WLAN nica tienen que utilizar el mismo SSID

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    Ahorro de potencia

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    Los nodos que estn en la modalidad de ahorro de energa (PS mode) apagan eldispositivo radio durante un cierto intervalo de tiempoo La mayor parte de la potencia de la batera es utilizada por los circuitos de PHY RX

    el PHY puede ser apagado cuando no se este transmitiendo auque la estacin sea activao En media la TX en una WLAN es activa menos del 2% del tiempoo los nodos transmisores tienen que bufferizar los frames

    o El aumento de la latencia causado por el PS puede ser controlado reduciendo los timeoutsen los protocolos de alto nivelFcil de implementar con PFC. No tan fcil en DCFLos AP generan beacons con un time-stamp y lo transmiten cada intervalo de beaconing(~100 ms)

    o la transmisin del beacon es aplazada si el canal est ocupada

    o los nodos despiertan antes de que el intervalo de beaconing termina y permanecendespiertos hasta que el beacon es totalmente recibido

    o los timestap son utilizados para actualizar los timer localesLos nodos son sincronizados para despertar al mismo tiempo cuando el transmisoranuncia frames buferizados

    o los nodos que tienen que recibir frames estn despiertos hasta que el frame es entregado

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    El Extended Service Set (ESS)

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    BSSBSS

    AP AP

    WLANWLAN LANLAN

    No definido por elestndar como realizarloExiste una propuesta deun grupo de empresas:Inter-acces point protocol(IAPP)

    Distribution System (DS)

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    Task Group f

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    Scope of Project : to develop recommended practices for an Inter-Access Point Protocol (IAPP)which provides the necessary capabilities to achieve multi-vendor Access Point interoperabilityacross a Distribution System supporting IEEE P802.11 Wireless LAN Links.Purpose of Project : ... including the concepts of Access Points and Distribution Systems.Implementation of these concepts where purposely not defined by P802.11 ... As 802.11 basedsystems have grown in popularity, this limitation has become an impediment to WLAN market

    growth.This project proposes to specify the necessary information that needs to be exchanged between Access Points to support the P802.11 DS functions. The information exchanges required will bespecified for, one or more Distribution Systems; in a manner sufficient to enable theimplementation of Distribution Systems containing Access Points from different vendors whichadhere to the recommended practices

    Status : Work has been completed and is now part of the Standard as a recommended practice.

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    Procedimiento de Handoff

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    Fase de reassociationCuatro mensajes IAPP

    o IAPP Latency > 4 * RTTLos mensajes de Move Request y deMove Response utilizan TCP

    STA New AP Old AP

    R e a s s o c i a t i o n R e q u e s t

    M o v e N o t i f y

    S e n d S e c u r i t y B l o c k

    A c k S e c u r i

    t y B l o c k

    M o v e R e s p

    o n s e

    IAPP Messag

    R e a s s o c i a t

    i o n R e s p o n s e

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    Wireless Distribution System

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    IEEE 802.11, WDS meanso Multiple wireless ports inside the access-point, to wirelessly

    interconnect cells (access-points connecting to other access-points)

    pre-IEEE 802.11, did not support WDS:

    o Three ports exist in one access-point (one Ethernet, and two wirelesscells)o One wireless backbone extension can be made (using two radio

    modules in the access-point)

    WDS allows:o Extending the existing infrastructure with wireless backbone linkso Totally wireless system without any wired backbones, needed in

    locations where large areas are to be covered and wiring is not possible

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    Wireless Distribution System

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    Channel 1

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    WDS Wireless Distribution System

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    WDS, consiste en puentear dos redes cableadas para obtenerconexin entre ellas, por ejemplo entre dos edificios de una mismaempresa

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    WDS Wireless Distribution System

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    Repeater: Consiste en un AP en modo WDS, que simplemente va arepetir las seales que capte de sus compaeros de bridge

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    Operational processes Traffic flow - WDS operation

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    STA-1STA-1 STA-2STA-2

    BSS-A

    BSS-B

    Packet for STA-2

    ACK

    Packet for STA-2 ACK

    AP-1000 or AP-500 AP-1000 or AP-500

    Avaya Wireless PC-Card Avaya Wireless PC-Card

    Association table

    Bridge learntable

    AP-1000 or AP-500 AP-1000 or AP-500

    Avaya Wireless PC-Card Avaya Wireless PC-Card

    Association table

    Bridge learntable

    STA-1

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    W ire le s s

    B a c k b o n e

    WDSRelay

    WDS

    RelayPacket for STA-2

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    Linksys Wireless-G Access Point

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    Redes Inalmbricas y Computacin Ubicua/2006-2007

    Redes WLAN: IEEE 802.11o la capa fsica

    o la capa MACo calidad de servicio: 802.11eo seguridad: WAP y 802.11io MIMO: 802.11no herramientas de gestin

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    Limitations of the MAC standard for QoS IEEE802.11e

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    DCF (Distributed Coordination Function)o Only support best-effort serviceso No guarantee in bandwidth, packet delay and jitter o Throughput degradation in the heavy load

    PCF (Point Coordination Function)o Inefficient and complex central polling schemeo Unpredictable beacon frame delay due to incompatible cooperation

    between CP and CFP modes

    o Transmission time of the polled stations is unknown

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    Overview of 802.11e IEEE802.11e

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    U b i c u Task group e formed in Sep. 1999 and Approved in March 2000o Current version: IEEE P802.11e/D6.0, November 2003

    o Backwardly compatible with the DCF and PCF

    New QoS mechanism: HCF (Hybrid Coordination Function)

    o Contention-based channel accessEDCA (Enhanced Distributed Channel Access)

    was Enhanced Distributed Coordination Function ( EDCF )

    o Controlled channel access (includes polling)HCCA (HCF controlled channel access)

    The station that operates as the central coordinator for all otherstations within the same QoS supporting BSS (QBSS) is called thehybrid coordinator (HC).

    o The HC reside inside an AP

    A BSS that includes an 802.11e-compliant HC is referred to as aQBSS.

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    EDCF (Enhanced DCF) IEEE802.11e

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    U b i c u Review of DCFo CSMA/CA

    o Transmit the frame directly if the medium is found idle for DIFS (DCFInterFrame Space)

    o Otherwise, defer the transmission and start the backoff processo Backoff_time = rand[0, CW], CWmin < CW < CWmaxo The backoff timer decreases only when the medium become idle.o Transmit the frame once backoff timer expires

    How to provide prioritieso Change the contention window sizenewCW[TC i] = ((oldCW[TC i]) * PF i ) 1PF i is the persistence factor

    o Replace DIFS with AIFS (Arbitration InterFrame Space) AIFS[i] = DIFS + TC i

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    EDCF IEEE802.11e

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    U b i c u CSMA/CA and Exponential Backoff

    Eight Traffic Categories (TCs) within one station

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    Backoff (AIFS)

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    Backoff (AIFS)

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    TC3

    Backoff (AIFS)

    TC2

    Backoff (AIFS)

    TC1

    Backoff (AIFS)

    TC0

    Backoff (AIFS)

    High priority Low priority

    Scheduler

    (resolve virtual collisions by granting permission to highest priority)Transmissionattempt

    AIFS:Arbitration Inter-Frame Space

    Backoff (AIFS)

    Transmissionattempt

    DCF

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    EDCA parameters for AC IEEE802.11e

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    4 access categories ( AC ), AIFS[AC] = SIFS + AIFSN[AC] * aSlotTime , AIFSN[AC] 2.

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    EDCA and AC Mapping IEEE802.11e

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    HCF superframes IEEE802.11e

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    Performance IEEE802.11e

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    Tema 3.- Tecnologas inalmbricas de red

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    Redes Inalmbricas y Computacin Ubicua/2006-2007

    Redes WLAN: IEEE 802.11o la capa fsicao la capa MACo calidad de servicio: 802.11eo seguridad: WAP y 802.11io MIMO: 802.11no herramientas de gestin

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    Wireless LAN Security Issues

    Issue 802.11 WEP Solution

    WEP y IEEE802.11i

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    Wireless LAN(WLAN)

    Wireless sniffer can view all WLANdata packets

    Anyone in AP coverage area can geton WLAN

    Encrypt all data transmitted betweenclient and APWithout encryption key, user cannottransmit or receive data

    Wired LAN

    Goal: Make WLAN security equivalent to that of wired LANs (Wired EquivalentPrivacy)

    client access point (AP)

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    WEP Protection for 802.11b

    Wi d E i l t P i

    WEP y IEEE802.11i

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    U b i c Wired Equivalent Privacyo No worse than what you get with wire-based systems.

    Criteria:o Reasonably strong

    o Self-synchronizing stations often go in and out of coverageo Computationally efficient in HW or SW since low MIPS CPUs might be

    usedo Exportable US export codes (relaxed in Jan 2000 / Wassenaar

    Arrangement)o Optional not required to used it

    Objectives:o confidentialityo integrityo authentication

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    WEP How It Works

    Secret key (40 bits or 104 bits)

    WEP y IEEE802.11i

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    U b i c Secret key (40 bits or 104 bits)o can use up to 4 different keys

    Initialization vector (24 bits, by IEEE std.)o total of 64 or 128 bits of protection.

    RC4-based pseudo random number generator (PRNG)Integrity Check Value (ICV): CRC 32

    IV(4 bytes)

    Data (PDU)( 1 byte)

    Init Vector(3 bytes)

    1 byte

    Pad6 bits

    Key ID2 bits

    Frame header ICV(4 bytes) FCS

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    WEP Encryption Process

    1)Compute ICV using CRC 32 over plaintext msg

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    U b i c Compute ICV using CRC-32 over plaintext msg.2) Concatenate ICV to plaintext message.

    3) Choose random IV and concat it to secret key and input it to RC4 toproduce pseudo random key sequence.

    4) Encrypt plaintext + ICV by doing bitwise XOR with key sequence toproduce ciphertext.5) Put IV in front of cipertext.

    Initialization Vector (IV)

    Secret Key

    Plaintext

    Integrity Algorithm

    Seed WEP PRNG

    KeySequence

    Integrity Check Value (ICV)

    IV

    CiphertextMessage

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    WEP Decryption Process

    1) IV of message used to generate key sequence, k.

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    U b i c

    2) Ciphertext XOR k original plaintext + ICV.3) Verify by computing integrity check on plaintext (ICV) and

    comparing to recovered ICV.

    4) If ICV ICV then message is in error; send error to MACmanagement and back to sending station.

    IVCiphertext

    Secret Key

    Message

    WEP PRNGSeed

    KeySequence

    Integrity Algorithm

    Plaintext

    ICV

    ICVICV - ICV

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    WEP Station Authentication

    Wireless Station (WS) sendsAuthentication Request to Access Point WS AP

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    U b Authentication Request to Access Point

    (AP). AP sends (random) challenge text T.WS sends challenge response(encrypted T).

    AP sends ACK/NACK.

    WS AP Auth. Req.

    Challenge Text

    Challenge Response

    Ack

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    WEP Weaknesses

    Forgery Attacko Packet headers are unprotected can fake src and dest addresses

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    U b o Packet headers are unprotected, can fake src and dest addresses.

    o AP will then decrypt data to send to other destinations.o Can fake CRC-32 by flipping bits.

    Replayo Can eavesdrop and record a session and play it back later.

    Collision (24 bit IV; how/when does it change?)o Sequential: roll-over in < day on a busy neto Random: After 5000 packets, > 50% of reuse.

    Weak Keyo If ciphertext and plaintext are known, attacker can determine key.o Certain RC4 weak keys reveal too many bits. Can then determine RC4

    base key.

    Well known attack described in Fluhrer/Mantin/Shamir paper o Weaknesses in the Key Scheduling Algorithm of RC4 , Scott Fluhrer,Itsik Mantin, and Adi Shamir

    o using AirSnort: http://airsnort.shmoo.com/

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    War Driving in New Orleans(back in December 2001)

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    802.11i Task Group Recommendations

    Mutual AuthenticationDynamic Session Key

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    U Dynamic Session KeyMessage Integrity Check (MIC)Temporal Key Integrity Protocol (TKIP)

    o Per-packet Key Hashingo Initialization Vector Sequencingo Rapid Re-Keying

    Future

    o Stronger encryption schemes such as AES

    Tema 3.- Tecnologas inalmbricas de red

    Redes WLAN: IEEE 802 11

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    Redes Inalmbricas y Computacin Ubicua/2006-2007

    Redes WLAN: IEEE 802.11o la capa fsicao la capa MACo calidad de servicio: 802.11eo seguridad: WAP y 802.11io MIMO: 802.11no herramientas de gestin

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    Ways to increase data rate

    Conventional single tx and rx radio systemso Increase transmit power

    IEEE802.11n

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    o Increase transmit power Subject to power amplifier and regulatory limitsIncreases interference to other devicesReduces battery life

    o Use high gain directional antennasFixed direction(s) limit coverage to given sector(s)

    o Use more frequency spectrumSubject to FCC / regulatory domain constraints

    Advanced MIMO: Use multiple tx and / or rx radios!

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    Conventional (SISO): Wireless Systems IEEE802.11n

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    Conventional Single Input Single Output (SISO) systems were favored for simplicityand low-cost but have some shortcomings:

    o Outage occurs if antennas fall into nullSwitching between different antennas can help

    o Energy is wasted by sending in all directionsCan cause additional interference to others

    o Sensitive to interference from all directionso Output power limited by single power amplifier

    channelRadioDSPBits

    TX

    Radio DSP Bits

    RX

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    MIMO Wireless Systems IEEE802.11n

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