Title: Chapter 4 slides
1Cours réseauRéseaux sans fil
2Plan
- 1 Introduction
- 2 Bluetooth
- 3 HomeRF Home Radio Frequency
- 4 HiperLan
- 5 Wifi
3Introduction
- Réseaux sans fil performants
- Avancées de lélectronique et du
traitement du signal - Technologies mobiles
- WPAN Wireless Personal Area Network
- Bluetooth
- HomeRF
- WLAN Wireless Local Area Network
- IEEE 802.11 (US)
- HiperLAN (Europe)
- Technologies cellulaires
- GSM
- GPRS
- UMTS
- Technologies satellite
4Introduction
- Développement très rapide des réseaux sans fil
- Représentent un marché énorme
- Les prix deviennent de plus en plus
abordables - Les performances et les débits augmentent
- Les réseaux domestiques et la population de
travailleurs - mobiles augmentent
- Marché des réseaux sans fil en plein essor
- Enjeu important au niveau financier
- Évitent linvestissement dans un câblage
coûteux
5Introduction
- Cours précédents réseaux de mobiles au sens
classique - déplacement des terminaux à l'intérieur du
réseau d'un - opérateur
- Réseaux géographiquement limités tous les
terminaux se - trouvent dans un milieu restreint en taille
- Entreprise
- Environnement personnel
- Ex réseaux locaux sans fil, réseaux
personnels, réseaux ad-hoc - Dans ce cours, accent sur les réseaux privés sans
fil - IEEE 802.11
- HiperLAN
- Bluetooth
- HomeRF
6Introduction
- Les réseaux sans fil peuvent exister en extrémité
dun réseau filaire classique (ex Internet) - Ils doivent pouvoir communiquer avec des
machines fixes dun réseau filaire - Intérêt principal assurer une connexion au
réseau tout en permettant la mobilité de
lutilisateur - Le câblage nest plus nécessaire
- Mise en place dun réseau dans un bâtiment
classé - monument historique
- Mise en place dun réseau de courte durée
(chantiers, - expositions, locaux loués, formation)
- Confort dutilisation tous les
participants dune réunion - sont automatiquement connectés
- Gain en coût pour la mise en place dun
réseau pour tout - bâtiment non préalablement câblé
-
7Introduction
- Autres applications
- Hôpitaux transmissions sans fil pour
accéder aux infos - enregistrées sur chaque patient pendant les
visites - Besoins similaires pour le personnel des
aéroports, des - chantiers
- Lien par voie hertzienne entre 2 bâtiments
câblés - WPAN applications étonnantes
- Ces technologies devraient bientôt équiper tous
les objets - de notre vie quotidienne
- Les voitures souvriront à lapproche de
leur propriétaire, - communiqueront directement avec la pompe à
essence - Le réfrigérateur fera lui-même sa commande
par Internet - La porte dentrée se déverrouillera
automatiquement, le - système dalarme se mettra en veille et
les lumières - sallumeront
8Introduction
- Importants développements
- Flexibilité de l'interface déplacement de
l'utilisateur - tout en restant connecté
- Plusieurs gammes de produits commercialisées
réseaux - sans fil
- Desservant les équipements d'un seul
utilisateur - Desservant un entreprise
- Connectant les utilisateurs sur une
distance métropolitaine - Débits jusqu'à plusieurs Mbit/s, voire
plusieurs dizaines de - Mbit/s
9Introduction
- Réalisation de ces réseaux
- Communication hertzienne
- sur l'ensemble du site
- à l'intérieur de petites cellules reliées
entre elles - Communications entre terminaux
- Directes
- Par le biais d'une borne intermédiaire
- Communications entre bornes de
concentration - Hertziennes
- Par câble
10Introduction
- Étalement de spectre
- À séquence directe (DSSS)
- Direct Sequence Spread Spectrum
- Envoi en simultané de linformation sur
plusieurs canaux - parallèles
- Taux derreur plus faible, donc débit
plus élevé - Immunité aux perturbations en bande
étroite - À saut de fréquence
- Frequency Hopping Spread Spectrum
- Économie de bande passante
11Introduction
- Avantages
- Mobilité
- Topologie dynamique
- Facilité dinstallation
- Coût
-
12Introduction
- Inconvénients
- Problèmes liés aux ondes radios taux
derreur plus - important
- Interférences (provenant dautres
réseaux) - Effets multi trajets
- La réglementation
- Effets sur la santé
- La sécurité
13Introduction
- Le choix des fréquences pose un problème de
compatibilité entre les différents pays - Ces fréquences peuvent être réservées pour
des - utilisations militaires ou des services de
secours, qui ne - peuvent souffrir dinterférences
- Site de lART Autorité de Réglementation des
Télécoms - En France, la bande de fréquences 2446,5
MHz-2483,5 - MHz est utilisée par le Ministère de la
Défense - La totalité de la bande nest donc pas
disponible pour les - équipements RLAN (Radio Local Area
Network) -
-
14Introduction
- Contraintes imposées
- Limitation à la bande de fréquences
2446,5 MHz- - 2483,5 MHz
- Formalité administrative demande
individuelle - détablissement
- Les autorisations dimplantation sont
limitées aux - communes des unités urbaines de de
50000 habitants - Autrement, demandes traitées au cas
par cas -
15Standards
- IEEE 802.11
- HiperLAN
- Bluetooth
- Home RF
- Wifi
-
16Introduction
- Normalisation
- Fort impact sur les réseaux locaux sans fil
- USA
- 2 groupes de travail de l'IEEE (Institute
of Electrical and Electronics Engineers) - IEEE 802.11
- IEEE 802.15
- Europe
- Groupe HiperLAN (High Performance Local
Area - Network)
- Groupes dintérêt font avancer la
normalisation de fait de ces réseaux sous la
pression des industriels
17Introduction
- Essor des PAN
- Personal Area Network
- Taille encore restreinte communication
entre les - équipements d'un même utilisateur
- Communications à l'intérieur de
picocellules (en général - une pièce)
- Ex norme Bluetooth, HomeRF
18Introduction
- Les terminaux sacheminent vers un support
indifférencié de plusieurs protocoles - Passer de lun à lautre sans rupture de la
connexion en - fonction de là où on se trouve
- GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth
- Exemple
- Arrivée dans un lieu public pour une
conférence - passage sur un WLAN ( rapide que
lUMTS) - TGV
- actuellement passage dune cellule
GSM à une autre - Dans lavenir WLAN pour avoir le
réseau à partir du TGV - Le software gèrera le choix du
protocole à un moment - donné
-
19Plan
- 1 Introduction
- 2 Bluetooth
- 3 HomeRF Home Radio Frequency
- 4 HiperLan
- 5 Wifi
202 Bluetooth Applications, Technologies
21Bluetooth
- A cable replacement technology
- 1 Mb/s symbol rate
- Range 10 meters
- Single chip radio baseband
- at low power low price point (5)
Why not use Wireless LANs? - power - cost
22802.11
- Replacement for Ethernet
- Supported data rates
- 11, 5.5, 2, 1 Mbps and recently up to 20Mbps _at_
2.4 GHz - up to 54 Mbps in 5.7 GHz band (802.11 a)
- Range
- Indoor 20 - 25 meters
- Outdoor 50 100 meters
- Transmit power up to 100 mW
- Cost
- Chipsets 35 50
- AP 200 - 1000
- PCMCIA cards 100 - 150
23Emerging Landscape
Bluetooth
802.11
Cordless headset
LAN AP
- Which option is technically superior ?
- What market forces are at play ?
- What can be said about the future ?
24Bluetooth working group history
- February 1998 The Bluetooth SIG is formed
- promoter company group Ericsson, IBM, Intel,
Nokia, Toshiba - May 1998 Public announcement of the Bluetooth
SIG - July 1999 1.0A spec (gt1,500 pages) is published
- December 1999 ver. 1.0B is released
- December 1999 The promoter group increases to 9
- 3Com, Lucent, Microsoft, Motorola
- March 2001 ver. 1.1 is released
- Aug 2001 There are 2,491 adopter companies
25Bluetooth historique
- Groupe IEEE 802.15 WPAN (Wireless Personal Area
- Networks)
- Mise en place en mars 1999
- But
- normaliser les réseaux d'une portée
d'un dizaine de - mètres
- Réaliser des connexions entre les
différents portables - d'un même utilisateur ou de plusieurs
utilisateurs - Ex interconnecter un PC portable, un
portable - téléphonique et un assistant personnel
26Bluetooth Cas dutilisation
Data access point
Internet access
Cable replacement
Ad hoc networking
27New Applications
28Synchronization
- User benefits
- Automatic synchronization of calendars, address
books, business cards - Push button synchronization
- Proximity operation
29Cordless Headset
Cordless headset
- User benefits
- Multiple device access
- Cordless phone benefits
- Hands free operation
30Usage scenarios examples
- Data Access Points
- Synchronization
- Headset
- Conference Table
- Cordless Computer
- Business Card Exchange
- Instant Postcard
- Computer Speakerphone
31Bluetooth Technologie
32Bluetooth groupes de service
- A
- Utilisation de la bande du spectre sans
licence - d'utilisation (2,45 GHz)
- Très bas coût de mise en place et
d'utilisation - Taille réduite
- Consommation électrique excessivement
faible - Mode sans connexion
- Possibilité de superposition avec l'IEEE
802.11
33Bluetoothgroupes de service
- B performances en augmentation
- Utilisation d'une couche MAC jusqu'à 100
Kbit/s - Possibilité pour toutes les machines de
communiquer entre elles - Possibilité de connecter au moins 16
machines - Utilisation de QoS pour autoriser certaines
- applications, dont la parole
- Jusqu'à 10 m de portée
- Temps max d'1s pour se raccorder au réseau
- Passerelles avec d'autres catégories de
réseaux
34Bluetooth groupes de service
- C introduit de nouvelles fonctionnalités
importantes - pour les particuliers et les entreprises
- Sécurité de la communication
- Transmission de la vidéo
- Possibilité de roaming (itinérance) vers un
autre - réseau PAN
35Bluetooth Réponse à ces objectifs
- Mise en place de groupements industriels
- Bluetooth
- HomeRF
- Spécification ouverte de connexion sans fil entre
- équipements personnels
- Bluetooth communication en forme de
liaison radio - entre 2 équipements
- HomeRF connexion des PCs avec toutes les
- machines de domestiques sur une portée 50 m
36Bluetooth technologie
- Bluetooth Special Interest Group (SIG)
- Au départ Ericsson, IBM, Intel, Nokia et
Toshiba - Rejoint par de 2500 sociétés
- Nom de la norme chef Viking, Harald Bluetooth
- Il aurait réussi à unifier les différents
royaumes - nordiques à la fin du Moyen-Age
37Bluetooth dispositifs
Number of BT Devices Forecast to be in use
Globally by 2006.
38Bluetooth technologie
Technology Expected to Combine with Bluetooth to
Create New Applications.
39Bluetooth technologie
PC cards, Cell phones, Head sets, Chip sets,
40Bluetooth SIG Objectifs et solutions
- But développer des produits interopérables
- Solutions du SIG
- Créer une spécification sans licence pour ses
membres, pour développer des produits et des
logiciels utilisant la - spécification Bluetooth
- Politique de propriété intellectuelle sans
licence (License free - Intellectually Property ou IP) pour les
membres du SIG, - selon certaines conditions!
- Pas de charges pour être membre
- Il existe des règles de confidentialité pour
les membres
41Bluetooth Documents issue du Bluetooth SIG
- Conçus pour promouvoir lintéropérabilité
- 3 types de documents
- Protocoles
- Profils
- Documents test
- Les documents sont confidentiels jusquà leur
adoption - Licence de propriété intellectuelle à
partir de la date dadoption
42Bluetooth technologie
- Technologie peu onéreuse
- Forte intégration des composants
électroniques sur une puce unique de 9mm sur 9mm - Fréquences utilisées comprises entre 2400 et
2483,5 MHz - Cette même gamme de fréquences se retrouve
dans la - plupart des réseaux sans fil utilisés
dans un environnement - privé (entreprise ou personnel)
- Pas de licence d'exploitation requise
- Bande au-dessus de 2,4 GHZ divisée en
sous-bandes de 1 - MHz
- 79 canaux d'une largeur de 1 MHz
- En France, Japon, Espagne seules 23
fréquences sont - accessibles
43Bluetooth Specifications
44Bluetooth Specifications
Applications
SDP
RFCOMM
Audio
L2CAP
Link Manager
Baseband
RF
- A hardware/software/protocol description
- An application framework
45Interoperability Profiles
- Represents default solution for a usage model
- Vertical slice through the protocol stack
- Basis for interoperability and logo requirements
- Each Bluetooth device supports one or more
profiles
46Bluetooth Profiles (in version 1.2 release)
- Generic Access
- Service Discovery
- Cordless Telephone
- Intercom
- Serial Port
- Headset
- Dial-up Networking
- Fax
- LAN Access
- Generic Object Exchange
- Object Push
- File Transfer
- Synchronization
47Technical Overview
48Bluetooth Radio Specification
49Design considerations
Noise, interference
power
spectrum
Recovered data signal
Data signal x(t)
cost
Goal
- high bandwidth
- conserve battery power
- cost lt 10
50EM Spectrum
S/W radio
FM radio
TV
TV
AM radio
cellular
?
X rays
Gamma rays
visible
UV
infrared
?
1 MHz
1 kHz
1 GHz
1 THz
1 PHz
1 EHz
Propagation characteristics are different in each
frequency band
51Unlicensed Radio Spectrum
?
12cm
5cm
33cm
26 Mhz
83.5 Mhz
125 Mhz
902 Mhz
2.4 Ghz
5.725 Ghz
2.4835 Ghz
5.785 Ghz
928 Mhz
802.11 Bluetooth Microwave oven
802.11a HyperLan
cordless phones baby monitors Wireless LANs
52Bluetooth radio link
1Mhz
. . .
79
1
2
3
83.5 Mhz
- frequency hopping spread spectrum
- 2.402 GHz k MHz, k0, , 78
- 1,600 hops per second
- GFSK modulation
- 1 Mb/s symbol rate
- transmit power
- 0 dbm (up to 20dbm with power control)
53Review of basic concepts
54Baseband
Applications
SDP
RFCOMM
Audio
L2CAP
Link Manager
Baseband
RF
55Bluetooth Physical link
- Point to point link
- master - slave relationship
- radios can function as masters or slaves
56Connection Setup
- Inquiry - scan protocol
- to learn about the clock offset and device
address of other nodes in proximity
57Inquiry on time axis
f1
f2
Slave1
Master
Slave2
58Piconet formation
- Page - scan protocol
- to establish links with nodes in proximity
59Bluetooth états des terminaux
- Standby
- En attente de joindre un piconet
- Inquire
- Demande à qui se connecter
- Page
- Se connecte à un canal spécifique
- Connected
- Activement sur un piconet (maître ou
esclave) - Park/Hold
- États de connexion à basse
- consommation
60Bluetooth états des terminaux
61Adressage
- Adresse de dispositih Bluetooth (BD_ADDR)
- 48 bit IEEE MAC address
- Adresse dun membre Actif (AM_ADDR)
- 3 bits active slave address
- all zero broadcast address
- Adresse dun membre Parked (PM_ADDR)
- 8 bit parked slave address
62Canal Piconet
FH/TDD
f1
f3
f4
f5
f2
f6
m
s1
s2
625 ?sec
1600 hops/sec
63Paquets à Multi slots
FH/TDD
f1
f4
f5
f6
m
s1
s2
625 µsec
D2BIT depend du type de paquet
64Types de lien Physique
- Lien Synchronous Connection Oriented (SCO)
- Reservation de slot à des intervals fixes
- Lien Asynchronous Connection-less (ACL)
- Polling est la methode daccés
m
s1
s2
65Types de paquets
Data/voice packets
Control packets
Voice
data
ID Null Poll FHS DM1
HV1 HV2 HV3 DV
DH1 DH3 DH5
DM1 DM3 DM5
66Format de paquet
54 bits
72 bits
0 - 2744 bits
Access code
Header
Payload
header
Data
Voice
CRC
No CRC No retries
ARQ
FEC (optional)
FEC (optional)
625 µs
master
slave
67Bluetooth format de paquet
- 72 premiers bits
- Transport du code d'accès
- Synchronisation entre les composants
Bluetooth - 54 bits d'en-tête (3 fois même séquence de 18
bits) - adresse d'un membre actif du piconet, numéro
de - code, contrôle de flux, demande
d'acquittement et - contrôle d'erreur)
- 0 à 2745 bits de données (dont 1 zone de
détection - d'erreur)
68Bluetooth 3 types de paquets
- Paquets de contrôle
- Gestion des connexions des terminaux
Bluetooth - entre eux
- Paquets SCO
- Communications synchrones de type SCO
- Paquets ACL
- Transferts de données asynchrones
69Bluetooth sous catégories
- Paquets DV (Data-Voice)
- Portent à la fois données et parole
- Paquets DMx (Data-Medium)
- Pour les paquets ACL avec un encodage
permettant la - correction des erreurs en ligne x longueur
du paquet (1, 3 ou - 5)
- Paquets DHx (Data-High)
- Paquets ACL sans correction d'erreur (
débit effectif élevé) - Paquets HVy (High-quality-Voice)
- Paquets SCO sans correction d'erreur y
type de contrôle d'erreur dans le paquet
70Code daccés
72 bits
Access code
Payload
Header
Purpose
- Synchronization
- DC offset compensation
- Identification
- Signaling
X
71Bluetooth techniques daccés
- Technique temporelle synchronisée
- Temps divisé en tranches de longueur égale
slots - 1 Slot temps de transmission élémentaire de
- transmission d'un paquet
- 1 paquet 1, 3 ou 5 slots
72Entête de Paquet
54 bits
Access code
Payload
Header
Proposition
- Addressing (3)
- Packet type (4)
- Flow control (1)
- 1-bit ARQ (1)
- Sequencing (1)
- HEC (8)
16 packet types (some unused)
Broadcast packets are not ACKed
For filtering retransmitted packets
Verify header integrity
18 bits
total
Encode with 1/3 FEC to get 54 bits
73Paquets de voix (HV1, HV2, HV3)
240 bits
54 bits
72 bits
366 bits
Access code
Header
30 bytes
Payload
HV1
10 bytes
1/3 FEC
20 bytes
HV2
2/3 FEC
30 bytes
HV3
74Calcul de débit DM1 et DH1
72 bits
54 bits
240 bits
366 bits
Access code
Dir Size Freq Rate
? 17 1600/2 108.8
? 17 108.8
? 27 172.8
? 27 172.8
30 bytes
Header
Payload
625 µs
1
2
75Calcul de débit DM3 et DH3
72 bits
54 bits
1626 bits
1500 bits
Dir Size Freq Rate
? 121 1600/4 387.2
? 17 54.4
? 183 585.6
? 27 86.4
Access code
187 bytes
Header
Payload
1875 µs
1
2
3
4
76Calcul de débit DM5 et DH5
72 bits
54 bits
2870 bits
2744 bits
Dir Size Freq Rate
? 224 1600/6 477.8
? 17 36.3
? 339 723.2
? 27 57.6
Access Code
343 bytes
Header
Payload
625 µs
3125 µs
1
2
3
4
5
6
77Type de paquets de données
Asymmetric
Symmetric
108.8 108.8 108.8
258.1 387.2 54.4
286.7 477.8 36.3
2/3 FEC
Symmetric
Asymmetric
172.8 172.8 172.8
390.4 585.6 86.4
433.9 723.2 57.6
No FEC
78Communication Inter piconet
Cordless headset
Cell phone
Cell phone
Cordless headset
79Bluetooth débit
- La communication à l'intérieur d'un piconet peut
- atteindre près de 1 Mbit/s
- Il peut y avoir 8 terminaux
- La vitesse effective diminue rapidement en
fonction du nombre de terminaux connectés dans
une même picocellule - Un maître peut accélérer sa communication en
travaillant avec 2 esclaves et en utilisant des
fréquences différentes
80Bluetooth communication
- Débit d'une liaison entre 2 machines
- jusqu'à 433.9 Kbit/s pour une communication
bidirectionnelle - (full-duplex)
- 723.2 Kbit/s et 57.6 Kbit/s pour une
communication - asymétrique
- Communication
- Synchrone ou SCO (Synchronous
Connection-Oriented link) - Permet un débit synchrone de 64 Kbit/s
- OK pour parole téléphonique avec une
garantie de service - Asynchrone ou ACL (Asynchronous Connection-Less
link) - Débits asynchrones pouvant atteindre
723.2 Kbit/s
81Bluetooth fonctionnement piconet
- Tous les terminanux dun piconets sautent en
même temps - Pour former un piconet le maître fournit
à ses esclaves son horlogeet son identifiant de
terminal(device ID) - Paterne de saut décidée par le device
ID(48-bit) - La phase de la paterne de saut est
déterminée par lhorloge - Les terminaux qui nont pas rejoint le piconet
sont en standby - Adressage du Piconet
- Active Member Address (AMA, 3-bits)
- Parked Member Address (PMA, 8-bits)
82Bluetooth fonctionnement piconet
- Réalisation de petits réseaux personnels de
quelques m2, les - piconets
- Terminaux connectés entre eux par l'intermédiaire
d'un maître - Puissance de transmission
- jusqu'à 100mW permet une émission sur
plusieurs dizaines de m - Possibilité de réduire cette puissance à
2,5 et 1mw (portée de quelques m) - Batterie
- Une batterie peut tenir assez longtemps
(plusieurs jours) à - condition d'utiliser des options d'économie
d'énergie - États de basse consommation introduits
dans la norme - Bluetooth
83Scatternet
84Scatternet, scenario 2
How to schedule presence in two piconets?
Forwarding delay ?
Missed traffic?
85Baseband résumé
- TDD, frequency hopping physical layer
- Device inquiry and paging
- Two types of links SCO and ACL links
- Multiple packet types (multiple data rates with
and without FEC)
86Protocole de gestion de lien
- Initialisation et gestion de
- Connections de la bande de base
- gestion de Piconet
- Configuration de lien
- Securité
87Gestion de Piconet
- Attachement et détachement des slaves
- Commutation Master-slave
- Etablissement des liens SCO
- Manipulation des modes à basse puissance ( Sniff,
Hold, Park)
Paging
req
Master
Slave
response
88Bluetooth Fonctions de gestion
- Système de gestion nécessaire dans un piconet
- Fonctions classiques de mise en œuvre des
- communications
- Processus de gestion des liaisons
- Procédures d'identification
- Négociation des paramètres d'authentification
- Configuration de la liaison définition des
paramètres de fonctionnement - Processus de gestion effectué par l'échange de
- requêtes réponses entre les 2 extrémités de
la liaison
89Low power mode (hold)
Hold offset
Slave
Hold duration
Master
90Low power mode (Sniff)
Sniff offset
Sniff duration
Slave
Sniff period
Master
- Traffic reduced to periodic sniff slots
91Low power mode (Park)
Slave
Beacon instant
Master
Beacon interval
- Power saving keep more than 7 slaves in a
piconet - Give up active member address, yet maintain
synchronization - Communication via broadcast LMP messages
92Connection establishment Security
- Goals
- Authenticated access
- Only accept connections from trusted devices
- Privacy of communication
- prevent eavesdropping
Paging
LMP_host_conn_req
- Constraints
- Processing and memory limitations
- 10 headsets, joysticks
- Cannot rely on PKI
- Simple user experience
LMP Accepted
Security procedure
Master
Slave
LMP_setup_complete
LMP_setup_complete
93Authentication
- Authentication is based on link key (128 bit
shared secret between two devices) - How can link keys be distributed securely ?
challenge
response
Claimant
Verifier
accepted
Link key
Link key
94Pairing (key distribution)
- Pairing is a process of establishing a trusted
secret channel between two devices (construction
of initialization key Kinit) - Kinit is then used to distribute unit keys or
combination keys
PIN Claimant address
PIN Claimant address
Claimant
Verifier
Random number
challenge
Random number
Random number
response
accepted
Kinit
Kinit
95Bluetooth 3 niveaux de sécurité
- 1er niveau Pas de gestion de sécurité
- 2e niveau Sécurité à l'échelon applicatif
- Processus d'identification lors de l'accès
au service - 3e niveau sécurité plus importante
- Processus d'authentification
- Chiffrement à l'aide de clés privées
96Bluetooth Sécurité
- Sécurité élément important dans les systèmes de
liaison - radio
- Émission diffusée potentiellement captée
par les récepteurs - environnants
- Mécanismes d'authentification et de
chiffrement au niveau - MAC
- Programme automatique dans les terminaux
Bluetooth - génération de clés par session
- Utilisation du numéro d'identité du
terminal clé privée et - générateur aléatoire interne à la puce
Bluetooth numéro - tiré pour chiffrer les données à
transmettre - Gestion des clés prise en charge par
l'utilisateur sur les - terminaux qui doivent s'interconnecter
- Dans un scatternet, il faut procéder à un
échange de clés privées entre les possesseurs de
piconets indépendants
97Link Manager Protocol Summary
- Piconet management
- Link configuration
- Low power modes
- QoS
- Packet type selection
- Security authentication and encryption
98L2CAP
Logical Link Control and Adaptation Protocol
Applications
SDP
RFCOMM
Data
- L2CAP provides
- Protocol multiplexing
- Segmentation and Re-assembly
- Quality of service negotiation
Audio
L2CAP
Link Manager
Baseband
RF
99Why baseband isnt sufficient
reliable, flow controlled
Baseband
in-sequence, asynchronous link
- Baseband packet size is very small (17min, 339
max) - No protocol-id field in the baseband header
100Need a multiprotocol encapsulation layer
IP
RFCOMM
IP
RFCOMM
reliable, in-order, flow controlled, ACL link
- Desired features
- Protocol multiplexing
- Segmentation and re-assembly
- Quality of service
- What about
- Reliability?
- Connection oriented or connectionless?
- integrity checks?
101Segmentation and reassembly
Payload
Length
Baseband packets
CRC
CRC
CRC
start of L2CAP
continuation of L2CAP
continuation of L2CAP
- cannot cope with re-ordering or loss
- mixing of multiple L2CAP fragments not allowed
- If the start of L2CAP packet is not acked, the
rest should be discarded
min MTU 48 672 default
102Multiplexing and Demultiplexing
IP
RFCOMM
IP
RFCOMM
Circuit or connection-less ?
Why is L2CAP connection oriented ?
- Baseband is polling based
- Bandwidth efficiency
- - carry state in each packet Vs. maintain it at
end-points - Need ability for logical link configuration
- MTU
- reliability (Flush timeout option)
- QoS (token bucket parameter negotiation)
103L2CAP Channels
CID
Payload
Length
signaling channel
master
Slave 1
Slave 3
01
01
01
01
CID
CID
CID
CID
CID
CID
data channel
CID
01
Signaling channel CID does not uniquely
determine the identity of the source L2CAP entity
Signaling channel for 1) connection
establishment 2) channel configuration 3)
disconnection
CID
01
Slave 2
104L2CAP connection an example
Target
Initiator
L2CAP_ConnectReq
Establishment
L2CAP_ConnectRsp
L2CAP_ConfigReq
Configuration
L2CAP_ConfigRsp
MTU, QoS reliability
L2CAP_ConfigReq
L2CAP_ConfigRsp
Data transfer
L2CAP_DisconnectReq
Termination
L2CAP_DisconnectRsp
105L2CAP Packet Format (Connectionless)
Not fully developed yet.
106L2CAP Summary
Design constraints
- Simplicity
- Low overhead
- Limited computation and memory
- Power efficient
Assumptions about the lower layer
- Reliable, in-order delivery of fragments
- Integrity checks on each fragment
- Asynchronous, best effort point-to-point link
- No duplication
- Full duplex
Service provided to the higher layer
- Protocol multiplexing and demultiplexing
- Larger MTU than baseband
- Point to point communication
107Bluetooth Service Discovery Protocol
Applications
SDP
RFCOMM
Data
Audio
L2CAP
Link Manager
Baseband
RF
108Example usage of SDP
- Establish L2CAP connection to remote device
- Query for services
- search for specific class of service, or
- browse for services
- Retrieve attributes that detail how to connect to
the service - Establish a separate (non-SDP) connection to use
the service
109Serial Port Emulation using RFCOMM
Applications
SDP
RFCOMM
Data
- Serial Port emulation on top of a packet oriented
link - Similar to HDLC
- For supporting legacy apps
Audio
L2CAP
Link Manager
Baseband
RF
110Serial line emulation over packet based MAC
RFCOMM
RFCOMM
L2CAP
L2CAP
- Design considerations
- framing assemble bit stream into bytes and,
subsequently, into packets - transport in-sequence, reliable delivery of
serial stream - control signals RTS, CTS, DTR
111IP over Bluetooth V 1.0
Applications
SDP
RFCOMM
GOALS
Data
- Internet access using cell phones
- Connect PDA devices laptop computers to the
Internet via LAN access points
Audio
L2CAP
Link Manager
Baseband
RF
112LAN access point profile
IP
Access Point
PPP
RFCOMM
L2CAP
Baseband
113Inefficiency of layering
Palmtop
LAN access point
IP
IP
packet oriented
PPP
PPP
rfc 1662
rfc 1662
byte oriented
RFCOMM
RFCOMM
packet oriented
L2CAP
L2CAP
- Emulation of RS-232 over the Bluetooth radio link
could be eliminated
114Terminate PPP at LAN access point
Palmtop
Access Point
IP
IP
PPP
ethernet
PPP
RFCOMM
RFCOMM
Bluetooth
Bluetooth
- PPP server function at each access point
- management of user name/password is an issue
- roaming is not seamless
115L2TP tunneling
Palmtop
Access Point
PPP server
IP
IP
PPP
PPP
RFCOMM
RFCOMM
Bluetooth
Bluetooth
- Tunneling PPP traffic from access points to the
PPP server - 1) centralized management of user name/password
- 2) reduction of processing and state maintenance
at each access point - 3) seamless roaming
116Seamless roaming with PPP
Server
AP1
AP2
MAC level registration
palmtop
117IP over Bluetooth v 1.1 BNEP
Access Point
IP
Bluetooth Network Encapsulation Protocol (BNEP)
provides emulation of Ethernet over L2CAP
BNEP
- BNEP defines
- a frame format which includes IEEE 48 bit MAC
addresses - A method for encapsulating BNEP frames using
L2CAP - Option to compress header fields to conserve
space - Control messages to activate filtering of
messages at Access Point
L2CAP
Baseband
118Bluetooth Current Market Outlook
119Market Forcasts for year 2005
Cahners In-stat (2000 forcast)
revised (2001 forcast)
Merrill Lynch (2000 forcast)
5.4 bn
revised (2001 forcast)
4.4 bn
2.1 bn
4.3 bn
1.4 bn
2.2 bn
4.4
1.5 bn
995 m
3.6
2.02
Revenue
Units sold annually
Chip price
120Bluetooth Value chain
Wireless Carriers
Conspicuously missing
Stack providers
Software vendors
Integrators
Silicon
Radio
121Value to carriers Synchronization and Push
- More bits over the air
- Utilization of unused capacity during non-busy
periods - Higher barrier for switching service providers
122Value to carriers Cell phone as an IP gateway
Will Pilot and cell phone eventually merge?
- More bits over the air
- Enhanced user experience
- Palmpilot has a better UI than a cell phone
- Growth into other vertical markets
123Value to carriers Call handoff
Cordless base
Threat or opportunity?
- More attractive calling plans
- Alleviate system load during peak periods
- Serve more users with fewer resources
124Biggest challenges facing Bluetooth
- Interoperability
- Always a challenge for any new technology
- Hyped up expectations
- Out of the box ease of use
- Cost target 5
- Critical mass
- RF in silicon
- Conflicting interests business and engineering
125Ad-hoc IP Networks over Bluetooth
126Ad-hoc Networks - whats that ?
Networking without a network!
- Independence Flexibility
- Created anywhere, anytime by anyone.
- Anarchy
- Outside of traditional operator domain -
unlicensed spectra! - May make up your own rules!
- Symbiosis
- Participants forward traffic of others.
- I help you, if you help me.
127A short example.
128Small ad-hoc networks...
- Ad-hoc interoperability between devices
- Exchange of information
- Distributed applications
- Separation of service and device
- Your application is not tied to one device
- Stepwise upgrading of devices
- Here IP gives a well known networking
architecture! - Cross vendor interoperability
- 3rd party application development -- open system
principles - and seamless interworking with rest of the
Internet!
129Bluetooth needs good IP support
- Ongoing IETF work to enable zero configuration
- Get Internet protocols adapted to the Average
Consumer - Pure Switch-On and Play using IP networking
- Well suited for the hand-held market!
- Service discovery based on IP
- UPnP, Jini
- IP networking for Bluetooth crucial for success!
- The PPP/RFCOMM solution not well suited for
networking
130Bluetooth Networking A Layer 2 Support
IP
Ethernet-like broadcast segment
slave 3
slave 1
slave 5
slave 4
master
master
Bluetooth
slave 2
131The Bluetooth Network Encapsulation Protocol
(BNEP)
- Purpose?
- Create a broadcast environment for IP in a
Bluetooth Scatternet, hiding Bluetooth specifics
(e.g. notion of piconet/scatternet forming and
maintenance) from IP and the layers above. - Features
- Clear division between Bluetooth specifics and IP
- IP and IP networking applications will work as
usual (e.g. DHCP, ARP) - Easy to apply zeroconf protocols
- Ad-hoc L2 routing across scatternets may be
applied - May handle loop-free broadcast across scatternets
132BNEP Overhead
- Type 7 bit Bluetooth value identifies the type
of BNEP header contained in this packet - 1 bit extension flag that indicates if one or
more extension headers follow the BNEP Header
before the data payload. - 1M of Data transfer
- Additional 0.2 Overhead
- Additional Bluetooth Transmission time 11 mSec
133Where in the Bluetooth Stack?
Applications
TCP / UDP
IP
PPP
SDP
RFCOMM
L2CAP
Host Controller Interface
LMP
Baseband
Bluetooth Radio
134Bluetooth Ad Hoc Personal Area Networks
- PANs extend the Internet to the user personal
domain!
135Bluetooth PANs
- 3G networks will give Internet access to the PANs
- PANs will generate more traffic than a single
device! - Utilize an aggregate of access networks (WLAN,
3G, DSL)
136PAN for 3G Access A GPRS example...
137GPRS access...
- Security carried within IEEE 802.1X (Port Based
Network Access Control) the Ethernet way - GPRS gives an IP address per PDP context
- Mobile phone as interworking function...
- DHCP-PDP context conversion to hand out IP
addresses - Seen as one node with many addresses from network
side - ...or mobile phone as a router?
- First router for the PAN devices
- Subnet with DHCP?
138IP Bluetooth Networking - Conclusions
- Bluetooth IP networking opens up new
possibilities... - Enables spontaneous networking
- Between people,
- Between machines,
- and combinations...
- Mainly small, short range ad-hoc networks
- Solves your personal problems...
- Limited complexity and security risks
- The enabler for PANs!
- Gives a natural extension of Internet into the
PAN via 3G - Enables stepwise upgrading of devices -- not tied
to one multimedia terminal! - Makes use of the 3G bandwidth immediately
139Research Topics
Internet
Plug-n-play applications
Resource Discovery
Routing over scatternets
Techniques for link formation
Will the current solutions for each layer work in
this environment?
140What is different in this scenario ?
Connection oriented, low-power link technology
Small, multi-hop networks
Simple devices
Isolated network
Dynamic network
Applications ---gt services ----gt routing ----gt
link creation
141Link Formation
The problem does not exist in most wired/wireless
networks
Proximity ? Link
Low power modes require careful use of broadcast
Maintaining connectivity in absence of
application traffic seems wasteful
Hints from higher layer are needed
142Routing over Scatternets
Nodes must co-operate to forward packets (MANET
style protocols)
x5
x1
y2
y1
Forwarding at Layer 2 or Layer 3?
Bridging or routing ?
x8
x6
x4
x2
x7
x3
What interface should be exported to the layer
above? Better coupling with the service discovery
layer is needed
143Service discovery
Need solutions for address allocation, name
resolution, service discovery
Existing solutions in the Internet depend on
infrastructure
Judicious use of Multicast/broadcast is needed
These goals are similar to what Zero-conf WG is
already working on
144Bluetooth Fonctions de gestion
- Système de gestion nécessaire dans un piconet
- Fonctions classiques de mise en œuvre des
- communications
- Processus de gestion des liaisons
- Procédures d'identification
- Négociation des paramètres
d'authentification - Configuration de la liaison définition
des paramètres de - fonctionnement
- Processus de gestion effectué par
l'échange de - requêtes réponses entre les 2 extrémités
de la liaison
145Bluetooth perspectives
- Depuis 2001 première génération de
spécifications - Bluetooth
- Principal reproche vitesse relativement
limitée des - transmissions
- Full-duplex échange dans chaque sens
effectué à 500 Kbit/s insuffisant pour la
transmission de vidéo en temps réel - Version 2.0 débit total de 10 Mbit/s par
liaison (ou 5Mbit/s ou 2 Mbit/s)
146Bluetooth perspectives
- Interface radio performante
- Améliorations concernant
- la mise en route de la liaison
- La possibilité de handover
- Meilleure coexistence avec les autres
réseaux - utilisant la même fréquence de 2,4 GHz, tel
que le - réseau IEEE 802.11
147Bluetooth perspectives
- Point positif mise en place de nouveaux
sous-groupes de - travail de l'IEEE 802.15 pour normaliser
l'exploitation de - Bluetooth dans différents contextes
- Groupe PAN utilisation d'IP dans Bluetooth
- Groupe HID (Human Interface Devices)
communication entre les différents éléments d'un
PC - Groupe Printing connexion vers une
imprimante - Groupe Still Image transmission et
traitement d'images - Groupe ESPD (Extended Service Discovery
Profiles) découverte des protocoles
environnants - Groupe Car Profile communications à
l'intérieur d'une voiture - Groupe AV(Audio/Video) transport de parole
de bonne qualité, de CD audio, échange de vidéo
148References
- 1 IEEE 802.11, Wireless LAN MAC and Physical
Layer Specification, June 1997. - 2 Hirt, W. Hassner, M. Heise, N. IrDAVFIr
(16 Mb/s) modulation code and system design.
IEEE Personal Communications, vol.8, (no.1),
IEEE, Feb. 2001. - 3 Lansford, J. Bahl, P. The design and
implementation of HomeRF a radio frequency
wireless networking standard for the connected
home. Proceedings of the IEEE, IEEE, Oct. 2000. - 4 Specification of Bluetooth System, ver. 1.0,
July 1999
149References (cnt)
- 5 Haartsen, J.C. The Bluetooth radio system.,
IEEE Personal Communications, IEEE, Feb. 2000. - 6 Haartsen, J.C. Bluetooth towards ubiquitous
wireless connectivity., Revue HF, Soc. Belge
Ing. Telecommun. Electron, 2000. p.816. - 7 Rathi, S. Bluetooth protocol architecture.
Dedicated Systems Magazine, Dedicated Systems
Experts, Oct.Dec. 2000. - 8 Haartsen, J.C. Mattisson, S. Bluetootha
new lowpower radio interface providing
shortrange connectivity. Proceedings of the
IEEE, IEEE, Oct. 2000. - 9 Gilb, J.P.K Bluetooth radio architectures.
2000 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits
(RFIC) Symposium Digest of Papers, Boston, MA,
USA, 1113 June 2000.
150References (cnt)
- 10 N. Benvenuto, G. Cherubini, Algoritmi e
circuiti per le telecomunicazioni, Ed. Libreria
Progetto. - 11 The Bluetooth Special Interest Group,
Documentation available at http//www.bluetooth.co
m/ - 12 IEEE 802.15 Working Group for WPANs
http//www.manta.ieee.org/groups/802/15/ - 13 Barker, P. Boucouvalas, A.C. Vitsas, V.
Performance modelling of the IrDA infrared
wireless communications protocol. International
Journal of Communication Systems, vol.13, Wiley,
Nov.Dec. 2000.
151References (cnt)
- 14 Tokarz, K. Zielinski, B. Performance
evaluation of IrDA wireless transmission. 7th
Conference on Computer Networks, Zakopane,
Poland, 1416 June 2000. - 15 ETSI RES, Digital European Cordless
Telecommunications (DECT), Common interface Part
1 Overview, ETS 300 1751, 1996.
152Plan
1 Introduction 2 Bluetooth 3 HomeRF Home Radio
Frequency 4 HiperLan 5 Wifi
1533 WPAN HomeRF Home Radio Frequency
- Environnement domotique
- Communication complète entre les machines
et terminaux des maisons et l'Internet - Origine association d'industriels
- Intel, Hewlett Packard, Siemens, Motorola
et Compaq - Permet de relier des PC portables ou fixes, mais
aussi les terminaux téléphoniques de type DECT - Digital Enhanced Cordless
Telecommunications - Équipements reliés à un base centrale
- Utilisation des mêmes fréquences que l'IEEE
802.11 et Bluetooth - Bande des 2,4-2,5 GHz
- Ces 3 normes peuvent cohabiter grâce aux
techniques de codage et de sauts de fréquence
154 WPAN HomeRF protocoles de communication
- SWAP Shared Wireless Access Protocol
- Tient de plusieurs normes connues
DECT, IEEE 802.11, IP - Reprend la norme de téléphonie insérée dans un
réseau de type IP - HomeRF se place dans le registre des
réseaux multimédias voix, données, images - Débit 1,6 Mbit/s
- 2e génération 10 Mbit/s
- En compétition avec IEEE 802.11 et
Bluetooth v2
155 WPAN HomeRF technique daccès
- En partie la technique d'accès du DECT TDMA
- Time division Multiple Access
- Possibilité de transmettre des données synchrones
- Voix téléphonique, visioconférence
- Pour la partie informatique normes de
l'Ethernet mobile - CSMA/CA
- Association TDMA et CSMA
- Propriétés nouvelles
- Possibilité de suspendre l'émission radio des
stations de base qui n'ont pas de connexions
actives
156 WPAN HomeRF techniques daccès
- Technique de sauts de fréquence (id. Bluetooth)
- Possibilité de superposer plusieurs réseaux
HomeRF - Mêmes solutions pour les problèmes de sécurité
que Bluetooth et 802.11 - Cryptage des données par WEP (Wireless
Encryption Privacy), reposant sur Blowfish, un
algorithme à clé privée - de 256 bits
157WPAN HomeRF topologie
- 1 cellule où la station de base est à de 50 m
des terminaux - Réseau domotique couvrant la surface
d'une maison - Débit 1,6 Mbit/s
- Les techniques d'accès (en particulier
CSMA/CA) limitent le débit réel qui traverse
l'interface air - Pas de 1 Mbit/s pour des données
informatiques, pour un utilisateur seul branché
sur un accès Internet via la station de base - HomeRF permet d'adresser
- 127 nœuds sur un réseau
- 6 liaisons voix simultanées
158WPAN HomeRF conclusions
- Concurrents nombreux
- Bluetooth
- IEEE 802.11
- Réseaux câblés
- Réseaux EDF
- Comme Bluetooth, HomeRF tient compte à la fois
des données informatiques et de la parole
téléphonique - IEEE 802.11 uniquement monde de
l'informatique - Bluetooth avantage marketing
- Soutenu par plusieurs milliers de
constructeurs - une centaine pour HomeRF
159Plan
- 1 Introduction
- 2 Bluetooth
- 3 HomeRF Home Radio Frequency
- 4 HiperLan
- 5 Wifi
1604 WLAN HiperLAN Introduction
- Réseaux sans fil présentés précédemment en
cours de - déploiement sur une grande échelle
- D'autres solutions sont sur le point
d'apparaître sur le - marché
- Études effectuées à l'ETSI (European
Telecommunications - Standards Institute)
- Propositions HiperLAN (High
Performance Local Area - Network)
- Groupe de travail IEEE 802.11a
- Nouvelle génération de réseau Ethernet
mobile - HiperLAN et IEEE 802.11a permettent la
communication directe de mobile à mobile, dans le
cadre des réseaux ad-hoc - Terminaux utilisés comme relais
161 WLAN HiperLAN
- Proposition européenne issue de l'ETSI
- But créer des environnements sans fil à haut
débit - Environnements flexibles
- Permettant un fonctionnement ad-hoc
communication de mobile à mobile en transitant
par des mobiles intermédiaires - Sur la bande passante affectée au réseau
HiperLAN, 5 canaux indépendants autorisent 5
porteuses en parallèle - Puissance des émissions environ 1 W
- Code correcteur d'erreur pour obtenir
une qualité de transport comparable à celle
obtenue dans un réseau local
162 WLAN HiperLAN Famille HiperLAN
- HiperLAN Type 1
- À l'intérieur des bâtiments sur des
distances d'environ 50 m par borne - Déplacement des utilisateurs lt 10 m/s
- Bande de fréquences entre 5,1 et 5,3 GHz
- Interfaces conventionnelles pouvant être
utilisées par les LANs sans fil Famille HiperLAN
163 WLAN HiperLAN Famille HiperLAN
- HiperLAN Type 2 ou HiperLAN 2
- Distance par borne étendue à 200 m
- Débit 23,5 Mbit/s
- Déplacement des terminaux lt 10 m/s
- Accéder aux réseaux ATM et satisfaire aux
interfaces ATM - Pouvoir implémenter les classes de services
correspondantes - Permettre le support d'applications isochrones
164 WLAN HiperLAN Famille HiperLAN
- HiperLAN 3 ou HiperAccess
- Boucle locale radio ou WLL (Wireless Local
Loop) - Réseaux de diffusion permet le point à
multipoint, avec des termianux ne sortant pas de
leur cellule - Distance entre stations lt 5 km
- Interfaces ATM privilégiées
- Permettre l'adoption des classes de service et
des qualités de service associées - Débit supérieur à 20 Mbit/s par utilisateur
165 WLAN HiperLAN Famille HiperLAN
- HiperLAN 4 ou HiperLink
- Marché des liaisons fixes entre 2 points
- Remplacer les liaisons ATM sur des
distances de 150 à 200 m - débit compatible avec les normes de l'ATM 155
Mbit/s - Classes de service ATM proposées
- Antenne directionnelle, car la bande de
fréquences situées entre 17,2 et 17,3 GHz
166 WLAN HiperLAN Catégories de réseaux
167 WLAN HiperLAN Norme Physique
- Couche physique
- quasiment identique
- à IEEE 802.11a
- Couches MAC
- différentes
- (IEEE 802.11 Ethernet)
168 WLAN HiperLAN Couche physique
- Bande de fréquences 5150 MHz 5300 MHz
- Fréquence nominale de chaque porteuse
169 WLAN HiperLAN Couche physique
- HiperLAN utilise 5 porteuses
- Porteuses 0, 1 et 2 porteuses par
défaut - Bande passante de chaque canal 23 MHz
- Technique permettant d'atteindre 23,5 Mbit/s
- consomme beaucoup d'énergie électrique
- Pose problème pour les terminaux mobiles
- 2 modes de travail définis
- LBR-HBR data burst (Low Bit Rate-High Bit Rate
data - burst)
- Petites trames de 496 bits, regroupées
dans des blocs - de 47 trames max
- LBR data burst
- Ne travaille qu'à une vitesse de 1,47
Mbit/s
170 WLAN HiperLAN mesure (CCAClear Channel
Assessment) et modulation
- Mesure de la puissance du signal reçu
- Seuil utilisé pour déterminer si le canal
est libre ou non - Transmission haut débit GMSK
- Gaussian Minimum Shift Keying
- Modulation à enveloppe constante
amplitude constante - Transmission bas débit FSK
- Frequency Shift Keying
171 WLAN HiperLAN Technique d'accès à l'interface
radio
- Couche MAC divisée en 2 parties
- Sous-couche CAC Channel Access Control
- Partie physique de la technique d'accès
- Contient toute la partie transmission et
réception, qui - gère les problèmes liés au canal hertzien
- Sous-couche MAC
- Partie logique
- Mise en forme de la trame
- Routage interne
- Algorithmes de confidentialité
- Gestion de priorité pour assurer une
qualité de service - Insertion et retrait des stations
172WLAN HiperLAN Couche CAC Channel Access and
Control
- La couche CAC définit
- laccès à un canal, selon quil est
libre ou occupé - Le niveau de priorité de la tentative,
si la contention est - nécessaire
- La couche CAC implémente le mécanisme NPMA
-