Chapter 7 Wireless LAN

Pros Flexibility วางอุปกรณ์ เช่น laptop ตรงไหนก็ได้ ที่อยู่ในระยะ radio coverage ไร้สาย คลื่นทะลุสิ่งกีดขวาง เช่น กำแพง ที่เป็นอุปสรรคในการเดินสายไฟ Planning ไม่ต้องมีการวางแผนล่วงหน้า ทำ ad-hoc network ได้ ถ้าใช้สาย (wire) ทำไม่ได้ ต้องวางแผนล่วงหน้า วางสายก่อน Design ทำให้ portable devices ต่างๆ เชื่อมต่อกับระบบ network ได้ เหมาะกับอาคารโบราณสถานที่วางสายไม่ได้ Cost เสียค่าใช้จ่ายเริ่มต้นคงที่ ไม่แปรตามจำนวนผู้ใช้งาน ถ้าใช้สาย (wire) มีค่าใช้จ่ายตามจำนวนผู้ใช้งานที่เพิ่มขึ้น

Cons Quality of service ได้ bandwidth ต่ำกว่าใช้สายประมาณ 100 เท่า Wireless ได้ 1 – 10 Mbit/s ใช้สายได้ 100 – 1,000 Mbit/s Proprietary solutions เนื่องจากมาตรฐานใหม่ออกช้า ผู้ผลิตทำส่วนขยายจากมาตรฐานเอง เพื่อให้ bandwidth สูงขึ้น เพิ่มบริการต่างๆ ฯลฯ แต่อุปกรณ์จากผู้ผลิตยี่ห้อต่างๆ ทำงานร่วมกันไม่ได้ Restrictions มีข้อห้ามข้อจำกัดในการใช้ความถี่น้อยกว่าระบบมือถือ เพราะ WLAN ใช้ low power และใช้ความถี่ในช่วงที่เรียกว่า “license-free frequency bands” แต่ละประเทศกำหนดไว้ไม่เหมือนกัน Safety and security WLAN รบกวนสัญญาณอุปกรณ์อื่นๆ เช่น เครื่องมือในโรงพยาบาล การใช้ WLAN เสี่ยงถูกดักฟัง (eavesdrop) มากกว่าการใช้สายอย่าง fiber optics

การออกแบบอุปกรณ์ WLAN เชิงพาณิชย์ มีเป้าหมายดังต่อไปนี้ (เป้าหมายบางข้ออาจจะขัดแย้งกัน) Global operation ทำงานได้ทั่วโลก ที่มีกฎระเบียบบังคับไม่เหมือนกัน (frequency, power) ผู้ใช้เคลื่อนย้ายอุปกรณ์ข้ามประเทศได้ Low power อุปกรณ์ที่ใช้ WLAN มักจะเป็นแบบ portable ต้อง power-saving mode / power-management function License-free operation ใช้ได้ทันที ไม่ต้องขอ license ต้องใช้ความถี่ในช่วง ISM band (ISM = The industrial, scientific, and medical radio band) ในหลายๆ ประเทศอยู่ที่ 2.4 GHz Robust transmission technology ต้องรับส่งข้อมูลได้เสถียร ในสภาพแวดล้อมที่มีการรบกวน ใช้เสาอากาศแบบ omni-directional (ไม่ได้ใช้แบบ directional) ผู้รับผู้ส่งอาจจะเคลื่อนที่ไปด้วย Simplified spontaneous cooperation ไม่ต้อง setup ยุ่งยากมาก Easy to use ใช้งานง่าย เสียบปลั๊กแล้วใช้ได้เลย plug & play Protection of investment ทำ bridge ระหว่าง wired LAN และ wireless LAN ได้ง่าย Safety and security ใช้ low radiation ในโรงพยาบาล ไม่รบกวนอุปกรณ์ เช่น pacemaker มีการเข้ารหัสข้อมูลที่ส่งบนคลื่นวิทยุ Transparency for applications เขียนโปรแกรมบน wired LAN และ wireless LAN เหมือนกัน โปรแกรมเดิมทำงานได้บน WLAN

Infrared (IR) LAN Wireless LAN มี 2 แบบแยกตามเทคโนโลยีที่ใช้ส่งข้อมูล แบบแรกใช้ infra red light (900 nm, 1.1 MHz) เครื่องรับส่งมีราคาถูกมาก แต่ได้ bandwidth ต่ำ คลื่นนี้ไม่ทะลุสิ่งกีดขวาง แบบที่สองใช้คลื่นวิทยุ 2.4 MHz จะโฟกัสเฉพาะแบบที่สองที่ปัจจุบันนิยมใช้มาก IR LAN น่าจะใช้กับพวกอุปกรณ์ภายในห้อง เช่น TV, เครื่องเล่น Blu-ray, แอร์ แต่ปัจจุบันก็ไปใช้คลื่นวิทยุหมดแล้ว

Infrastructure-based wireless network AP ทำหน้าที่ Medium access control, AP 1 ตัวมี 1 ชื่อ Bridge to other wired/wireless networks APs หลายตัวๆ รวมกันเป็น logical wireless network ที่กินพื้นที่ใหญ่เกิน radio coverage ได้ เช่น ChulaWiFi เวลาแชร์มือถือให้เป็น WiFi ก็เป็น access point ที่เกาะอยู่กับ 3G/4G

Ad-hoc wireless network ถ้าเป็น wired network เอา 2 เครื่องมาต่อสาย LAN กันตรงๆ ได้ไม่ต้องมี switch แต่เอา 2 เครื่องมาต่อกันแบบ wireless โดยไม่ต้องมี access point (ad-hoc) ได้หรือไม่ ? Mini-project: ทำวิทยุสื่อสาร walkie-talkie บนมือถือ ตัวอย่าง ad-hoc applications ที่มีการใช้งานแล้วจริงๆ เช่น Voxer Walkie Talkie Messenger อุปกรณ์รับส่ง WiFi ต้องเป็นรุ่นเดียวกัน (มือถือรุ่นเดียวกัน) ad-hoc network ถูกสร้างขึ้นเมื่อคนในครอบครัวมาอยู่รวมกัน

ใช้แทนวิทยุสื่อสาร (Walkie – Talkie) ได้เลย ไม่ต้องมี access point ต้องเป็นมือถือรุ่นเดียวกัน ถึงจะทำได้

มาตรฐานทั้งหมดของ Wireless LAN (ของ IEEE) European Telecommunications Standards Institute (ETSI) ออก HyperLAN (High Performance Radio LAN) แต่ไม่นิยมใช้มากเท่าของ IEEE IEEE 802.x LAN ทั้งหมด (wired / wireless) IEEE 802.3 Wired LAN (ethernet) – physical layer / data link layer IEEE 802.5 Token Ring (ไม่ค่อยนิยมใช้แล้ว) IEEE 802.11 Family of Wireless LANs

ISM band อยู่ที่ 2.4 GHz และ 5 GHz

STA = station เกาะอยู่กับ access point (AP) BBS = basic service set (BSS) เกาะอยู่กับ distribution system ESS = extended service set คือ single network ที่ประกอบด้วย BSS หลายๆ ตัว ESS มี identifier คือ ESSID (ชื่อ network) เช่น ChulaWiFi Portal คือ ประตูที่เชื่อม distribution system นี้กับ LAN วงอื่นๆ (อาจจะเป็น wired หรือ wireless) Station เลือก AP ได้ และ APs ทำ roaming ได้ (station ที่เคลื่อนที่เปลี่ยน AP) ปกติที่ใช้งานในบ้าน มี AP แค่ตัวเดียว เป็น router ด้วยในตัว Portal ออกไปอินเทอร์เน็ต น่าสนใจว่าถ้ามี APs หลายๆ ตัวทำ handover ยังไง เช่น มีสวนหน้าบ้าน หลังบ้าน ห้องรับแขก ห้องนอน ฯลฯ จะทำให้เดินดูวีดีโอ YouTube ไปได้รอบบ้าน? ปัจจุบันทำได้แล้ว Infrastructure-based Network การทำ Handover ต้องใช้อุปกรณ์ยี่ห้อเดียวกัน หรือต้องรอให้อุปกรณ์ทุกตัวเป็นไปตามมาตรฐาน IEEE 802.11f ก่อน (มาตรฐานว่าด้วยเรื่อง Handover)

Ad-hoc Network สร้าง ad-hoc network ที่แบ่งด้วย space ได้ หรือมี space overlap แต่ใช้ความถี่ต่างกัน ถ้าไม่เขียนโปรแกรมเอง ใน OS มี driver หรือโปรแกรมสำหรับทำ ad-hoc หรือไม่?

มาตรฐาน IEEE 802.11 (wireless LAN) และ IEEE 802.3 (wired LAN) Layer ข้างบนมองไม่เห็นว่า layer ข้างล่าง (MAC) ของ 802.11 และ 802.3 ต่างกันอย่างไร จะมองเห็นว่าเหมือนกัน แต่ 802.11 ช้ากว่ามาก (lower bandwidth และ higher access time)

Frequency hopping spread spectrum (FHSS) เมื่อมีหลายๆ network ซ้อนทับกันก็ต้อง hop กันเข้ามาใช้ความถี่ (ผลัดกันใช้) North America, Europe 79 hopping channels Japan 23 hopping channels (each with 1 MHz in the 2.4 GHz ISM band) Maximum transmit power US 1 W Europe 0.1 W (equivalent isotropic radiated power, EIRP) Japan 0.01 W/MHz เพื่อไม่ให้รบกวนเพื่อนบ้าน มีผลต่อสุขภาพ? For some reason it appears that this is quite hard to come by, most documentation only talks about the transmission power in dBm which is just less easy to read than mW to me. So here’s a list of the maximum allowed transmission power (EIRP) per country. Note that the a and b bands means the 802.11/a (5GHz) and 802.11/b (2.4GHz) respectively. While these are not specifically named, this includes 802.11ac, 802.11n, 802.11g and the collections such as 802.11abgn. https://w.wol.ph/2015/08/28/maximum-wifi-transmission-power-country/

https://www. it. chula. ac https://www.it.chula.ac.th/sites/default/files/doc/wifi-frequency-law.pdf

Modulation Gaussian shaped FSK (frequency shift keying) 2 level GFSK (mapping 1 bit to 1 frequency) 1 Mbit/s

4 level GFSK (mapping 2 bits to 1 frequency) 2 Mbit/s (optional)

Scrambler ป้องกันไม่ให้เป็น 0 หรือ 1 ติดกันยาวๆ จะทำให้ synchronize ยาก ต้องมีวงจรสำหรับ descrambler ด้วย

ให้ค่าเริ่มต้นใน register เป็น 0000 ถ้า input เป็น 11….1 จะได้ output เป็น …10101001101110000 (เขียนจากขวาไปซ้าย) Descrambler ทำเหมือนกัน แต่ใช้ค่าเริ่มต้นต่างกันได้ เช่น ใช่ค่าเริ่มต้น 1111 ต้องทิ้ง 4 บิตแรกไปก่อน เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ถูกต้อง ในการใช้งานจริง ผู้รับไม่รู้ค่าเริ่มต้นใน register ของผู้ส่ง และไม่รู้ว่าจะต้องทิ้งกี่บิตแรก แต่รู้ว่าไม่เกิน Nmax บิต ผู้ส่งก็ส่งอะไรมาก่อนก็ได้ Nmax บิต ก่อนจะส่งข้อมูลจริง

Number of the scrambler's feedback, T = 2 Single error bit results in N error bits. เกิด error ในการส่ง ส่งผิดไป 1 บิต แต่ descrambler ทำให้ผิดเพิ่มขึ้นอีก 2 บิต

Direct sequence spread spectrum (DSSS) แบ่งด้วย code แทนที่จะใช้ frequency เหมือน FHSS ใช้ 11-chip Barker sequence (+1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1) Modulation Differential binary phase shift keying (DBPSK) 1 Mbit/s Differential quadrature phase shift keying (DQPSK) 2 Mbit/s แบบ DBPSK ได้ symbol rate 1 MHz ต้องใช้ chipping rate 11 MHz

รูปนี้คือหัวใจของ Medium Access Control (MAC) Distributed Foundation Wireless Medium Access Control (DFWMAC) ถ้า #mobile stations มาก ก็เพิ่ม contention period รูปนี้คือหัวใจของ Medium Access Control (MAC) Note: Mobile Stations ไม่แลกเปลี่ยนข้อมูลกันตรงๆ ต้องผ่าน Access Point เสมอ 1) แต่ไม่จำเป็นต้องเป็น Access Point ตัวเดียวกัน เป็น AP อื่นๆ ใน Distribution System ก็ได้ 2) เฉพาะ Access Point เท่านั้นที่ถอดรหัสจาก Mobile Stations ได้ ดังนั้น MS จะคุยกับ AP เท่านั้น

ผู้ใช้แต่ละคนจะเลือก random backoff time ว่าจะรอกี่ slot หลังจาก DIFS ใคร random ได้น้อยสุด ก็ได้เข้ามาใช้ก่อน แต่ถ้าสุ่ม backoff time ทุกรอบ อาจจะเกิด starvation ได้ ดังนั้นจึงให้แต่ละ mobile station มี backoff timer ด้วย เริ่มต้นก็สุ่ม backoff time (slot) เหมือนเดิม และ start backoff timer ด้วย ถ้ายังไม่ได้ใช้ medium ในรอบนี้ ก็ stop backoff timer แล้วเมื่อขึ้น DIFS ถัดไปก็ start backoff timer อีก ถ้า backer timer หมดเมื่อไหร่ก็เข้าใช้ medium ทันที (ยังมีโอกาสเกิด collision ได้ แต่ก็น้อยลง)

สัดส่วนในรูปผิด Collision แล้ว detect ไม่ได้ ต้องรอให้ส่งข้อมูลให้หมด เวลาที่รอ เวลาที่เหลือ (ที่จะทนรอได้)

หลังจากแย่งส่งข้อมูลได้แล้ว ผู้รับต้องรีบ acknowledge ภายในเวลา DIFS

เพิ่ม RTS และ CTS เพื่อแก้ปัญหา Hidden Terminals NAV = Net Allocation Vector พอได้ยิน RTS/CTS แล้วต้องรออีกระยะเวลาหนึ่ง ถึงจะเริ่มส่งข้อมูลได้ Hidden Terminals ไม่น่าพลาด NAV(RTS) และ NAV(CTS) พร้อมกันทั้งคู่

พอได้สัญญาณ CTS แล้ว ก็เริ่มส่งข้อมูลได้เลย ผู้รับจะ acknowledge ภายในเวลา SIFS ดังนั้นจะไม่มีใครมาแทรกได้ MAC layer จะทำ 1) ปรับ frame size ตาม error rate ในขณะนั้น (เพิ่ม redundancy ถ้า error มาก) 2) Fragmentation ให้เป็นชิ้นเล็กๆ ไม่เกิน packet size

ช่วงที่ไม่มีการแข่งขัน PCF = Point Coordination Function DCF = Distribution Coordination Function รูปใน text น่าจะผิด จบ และเริ่ม contention Start PCF ช่วงที่ไม่มีการแข่งขัน การใช้ Super Frame (contention-free period + contention period) จะช่วยลดปัญหา collision และ starvation ต้องรอ PIFS ให้ acknowledge ก่อน เพราะ ack จะทำในเวลา SIFS

Synchronization แต่ละ mobile station มี internal clock และต้อง sync เพื่อทำ PCF (แต่ละ node ทำนายได้ว่า superframe จะเริ่มต้นเมื่อใด), frequency hopping, power management ข้อมูลสำหรับ time sync อยู่ใน beacon frame ที่ส่งออกมาเป็นระยะๆ ใน beacon มีข้อมูล time stamp และข้อมูลอื่นๆ สำหรับ power management และ roaming ใน infrastructure network นั้น access point จะส่ง beacon ออกมาเป็นระยะ mobile station มีหน้าที่ปรับ local clock ให้ตรงกับ access point สังเกตว่าสัญญาณ beacon นั้นจะไม่สม่ำเสมอ เนื่องจาก medium busy แต่ access point จะพยายามรักษา beacon interval ไว้

Power Management หลักการประหยัดพลังงานคือปิดเครื่องรับสัญญาณเมื่อไม่ได้ใช้ (sleep vs. awake) ถ้าจะส่งข้อมูลให้ power-saving station, sender จะต้อง buffer data ไว้ (อย่าส่งบ่อยๆ) mobile station จะต้องตื่นขึ้นมาเป็นระยะๆ เพื่อฟัง sender ประกาศว่าจะส่งข้อมูลใน buffer ให้ใครบ้าง station ต้อง stay awake จนกว่าจะได้รับข้อมูล ในรูปข้างบน station จะต้องตื่นขึ้นมาทุกๆ TIM interval (TIM = traffic indication map) เพื่อฟัง beacon และ T ใน T จะระบุว่าใครเป็นผู้รับ แบบ unicast / multicast ถ้า station นั้นเป็นผู้รับก็ต้อง stay awake Access point จะส่ง broadcast/multicast frames ทุกๆ DTIM interval (DTIM = delivery TIM) ใน D น่าจะมีข้อมูลที่เป็นภาพรวมทั้งหมดว่ารอบนี้จะส่งอะไรให้ใครบ้าง (หนังสือไม่อธิบายว่าใน D มีข้อมูลอะไร) ส่วนใน T จะระบุแค่ว่าในรอบนี้ใครเป็นผู้รับ รอบ #1 เป็น broadcast (B) ทำให้ station ต้อง awake เพื่อรับ B ให้หมด รอบ #2 เพราะ medium busy ทำให้ T เลื่อนไปนิด รอบ #3 ใน T บอกว่าให้ station รอรับข้อมูล station ตอบกลับว่า p (PS = power saving poll น่าจะหมายถึง acknowledge ใน power saving mode) station รับและส่งข้อมูลกับ access point

Roaming (Handover ใช้กับระบบมือถือ) เมื่อสัญญาณปัจจุบัน AP1 ไม่ค่อยดี station จะเริ่มมองหา access point อื่นๆ Passive scanning ฟัง beacon ที่มาจาก access point อื่นๆ Active scanning ส่ง probe ออกไป และรอตอบกลับ ได้ข้อมูลกลับมาด้วยว่าจะ connect ยังไง Station เลือก AP2 (เช่น เลือกจากสัญญาณแรงสุด) แล้วส่ง request ไปยัง AP2 แล้ว AP2 ตอบกลับมา ถ้าเป็นการย้ายระหว่าง AP ที่อยู่ใน distribution system (DS) เดียวกัน DS จะ update ฐานข้อมูลด้วย เพื่อให้ forward frame จาก AP1 ไปยัง AP2 ปัจจุบันอุปกรณ์ต่างยี่ห้อกันยังทำ roaming ไม่ค่อยได้ เพราะ incompatible protocols ต้องรอ IEEE 802.11f ให้ทุกยี่ห้อใช้มาตรฐาน 802.11f เสียก่อน อุปกรณ์ยี่ห้อต่างๆ ถึงจะ roaming กันได้ ปัจจุบันถ้าจะทำ roaming ใน DS ต้องใช้ access point ยี่ห้อเดียวกันทั้งหมด IEEE 802.11f (Inter Access Point Protocol, IAPP) Roaming Load balancing between access points อันนี้ได้แค่ roaming ใน distribution system แล้ว roaming ข้าม distribution system ได้หรือไม่ ???