past, present and future of ieee 802.11 toward wireless ......past, present and future of ieee...

151
Past, Present and Future of IEEE 802.11 toward Wireless Gigabit Experience Periklis Chatzimisios, PhD, Alexander TEI of Thessaloniki, Greece Athanassios Iossifides, PhD, Alexander TEI of Thessaloniki, Greece Jesus AlonsoZarate, PhD, CTTC, Barcelona, Spain December 2014 IEEE Globecom 2014, Austin, Texas, US

Upload: others

Post on 18-Mar-2020

15 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Past, Present and Future of IEEE 802.11 toward Wireless Gigabit Experience

Periklis Chatzimisios, PhD, Alexander TEI of Thessaloniki, GreeceAthanassios Iossifides, PhD, Alexander TEI of Thessaloniki, GreeceJesus Alonso‐Zarate, PhD, CTTC, Barcelona, Spain

December 2014IEEE Globecom 2014, Austin, Texas, US

1 Introduction to IEEE 802.11 family

2 IEEE 802.11ac, VHT below 6GHz

3New Emerging Amendments4Challenges and Open Issues5

IEEE 802.11ad, DMG @60GHz

page 3© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Introduction to 802.11 family1.1 The Standard for Wireless Local Area Networks (WLAN)1.2 History of specifications1.3 The PHY and MAC specifications

page 4© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Introduction to 802.11 family1.1 The Standard for Wireless Local Area 

Networks (WLAN)1.2 History of specifications1.3 The PHY and MAC specifications

page 5© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Clarifying Concepts

Interoperability & Compatibility

BackwardCompatibility

Certification of compliance

IEEE 802.11Standard

page 6© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

WiFi is everywhere

Source: https://www.qualcomm.com/media/documents/files/wireless-networks-wi-fi-evolution.pdf

page 7© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

The XXI Century Data Explosion

Source: Statista 2014

1 petabyte = 1015 bytes = 1.000.000.000.000.000 bytes

page 8© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Source: M. Dohler et al., “Is the PHY Layer Dead?’’, IEEE Commun. Mag., vol. 49, no. 4, 2011, pp. 159–65.

Need to increase capacity

Is the PHY layer dead? Martin Cooper, one of the fathers of cellular telephony, observed at 

that the wireless throughput had doubled every 30 months over a period of 104 years  a million‐fold increase since 1957. 1600-fold gain in capacity due to smaller cells

25-fold increase from wider spectrum allocation

5-fold increase from PHY layer improvements

Ways to increase capacity: More efficient usage of spectrum

More Spectrum

Smaller Cells

page 9© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Source: Wireless Broadband Alliance (WBA), Industry Report 2013

WiFi will be part of the integral solution

page 10© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Source: Wireless Broadband Alliance (WBA), Industry Report 2013

Thus, a Growing Trend

WIFI

Bluetooth LE

Data Transmission Rate ( Delay! Energy! Reliability! … !)

10m 100m 1km 10km

Kbps

bps

Mbps

Gbps

RFID

Zigbee

2G, 3G, 3G+

LTE, LTE‐A, beyond

LPWA‐M2M

mWave

Wireless Technologies (selected)

Reliability

Availability

Zigbee‐like

Bluetooth LE

WIFI – 802.11 Standards

Proprietary Cellular

Standardized Cellular

Wired Networks

Availability = coverage, roaming, mobility, critical mass in rollout, etc.Reliability = resilience to interference, throughput guarantees, low outages, etc.(Total Cost of Ownership = CAPEX, OPEX.)

Positioning of WiFi

Ubiquitous Infrastructure Vibrant Standard

Low Cost Sound Security

300 members

WPA2/PSK/TLS/SSL

Source: Wireless Broadband Access (WBA), Informa, Nov. 2011

Some KEY advantages of WIFI

Crowded ISM Band Limited Power

Lack of Network Planning

WPA2/PSK/TLS/SSL

Some limitations of WIFI

Still using CSMA!!!

Growing WIFI ecosystem…

page 16© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Introduction to 802.11 family1.1 The Standard for Wireless Local Area Networks (WLAN)

1.2 History of specifications1.3 The PHY and MAC specifications

page 17© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Standards: Definition

Standards are published documents that establishspecifications and procedures designed to maximize thereliability of the materials, products, methods, and/orservices people use every day. Standards address a range ofissues, including but not limited to various protocols to helpmaximize product functionality and compatibility, facilitateinteroperability and support consumer safety and publichealth (definition by IEEE‐SA)

Can be International/European/National

page 18© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Standards: Motivation

Market Demand

Essential for the long term deployment of technology

Interoperability

Roaming worldwide

Japan

USAChina

Korea

page 19© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Standards within IEEEIEEE Standards Association (IEEE‐SA) Encourages & coordinates the development process of IEEE standards

IEEE Comm. Society Standards Development Board (COM/SDB)  Sponsors standards in communications & networking 

page 20© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Getting started with IEEE standards You have a new idea!

Is IEEE already working in this area (or is it a new area of interest)? Browse existing IEEE standards groups

http://standards.ieee.org/db/status/index.shtml http://grouper.ieee.org/groups/index.html

Follow the standardization process Submit a properly completed Project Authorization Request (PAR) for 

IEEE‐SA Standards Board approval  After approval of the project, organize the technical development work 

on the standard When finalized, submit the proposed standard together to the IEEE‐SA 

Standards Board

page 21© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Standardization process 

Conclusion:  It is a very long and complicated process!  

Idea!

ProjectApprovalProcess

DevelopDraft

Standards(in

WorkingGroups)

SponsorBallot

IEEE‐SAStandardsBoard

ApprovalProcess

PublishStandards

Revise Standard

Archive Withdrawn Standard

Maximum of 4 years

Maximum of 10 years

page 22© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11 and the OSI model

page 23© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Key IEEE 802.11 Amendments

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

• 802.11a• Data rate: 54 Mbps• Frequency band: 5 GHz• PHY: OFDM• Use case: Internet

• 802.11b• Data rate: 11 Mbps• Frequency band: 2.4 GHz• PHY: DSSS with CCK WEP• Use case: Email

• 802.11g• Data rate: 54 Mbps• Frequency band: 2.4 GHz• PHY: OFDM• Wi‐Fi starts to become ubiquitous • Use case: Rich‐data Web experience

• 802.11n • Data rate: Up to 600 Mbps• Frequency band: 2.4 GHz & 5 GHz• PHY: OFDM/MIMO• Higher throughput• Enhanced range due to use of MIMO• Use case: Medium‐resolution video 

streaming

• 802.11ac• Data rate: Up to 7 Gbps(first solutions on market < 1.8 Gbps)• Frequency band: 5 GHz• PHY: OFDM/MIMO• 8 parallel streams • Use case: Coverage for video “Wired” 

Compliment

• 802.11ad• Data rate: Up to 7 Gbps• Frequency band: 60 GHz• PHY: OFDM/MIMO• Tri‐band Wi‐Fi• Use case: short‐range app

1st Generation

5th Generation

5th Generation

4th Generation

3rd Generation

2nd Generation

Source: D. Gajic, K. Ntontin, R. Palacios, “802.11n and Beyond: and Overview”, GREENET Project Presentation, July 2013

page 24© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

The IEEE 802.11‐2007 Amendment

Title 802.11‐2007 amendment Title of standard Information

802.11‐1997802.11‐1999802.11‐2003

IEEE Standard for Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications

Initial standard  (2 Mb/s)

802.11a √ Higher Speed PHY Extension in the 5GHz band 5 GHz (54 Mb/s)

802.11b √ Higher Speed PHY Extension in the 2.4 GHz Band

2.4 GHz (11 Mb/s)

802.11d √ Operation in Additional Regulatory Domains

Allows devices to comply with regional requirements

802.11e √ MAC Enhancements Support for QoS

802.11fInter‐Access Point Protocol Across Distribution Systems Supporting IEEE 802.11 Operation

page 25© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Title 802.11‐2007 amendment Title of standard Information

802.11g √ Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band 2.4 GHz (54 Mb/s)

802.11h √Spectrum and Transmit Power Management Extensions in the 5 GHz Band in Europe

In Europe 5 GHz devices implement 802.11h

802.11i √ MAC Security Enhancements WPA and WPA2

802.11j √ 4.9 GHz–5 GHz Operation in Japan

Compliance with Japanese 5 GHz spectrum regulation

802.11ma 802.11 Standard Maintenance & Revision ‐

802.11t Recommended Practice for the Evaluation of 802.11 Wireless Performance ‐

The IEEE 802.11‐2007 Amendment

page 26© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Title 802.11‐2012 amendment Title of standard Information

802.11‐2007IEEE Standard for Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications

Supersedes 802.11‐1999 and incorporates amendments a, b, d, e, & g–j

802.11‐2012 802.11 Accumulated Maintenance Changes

Supersedes 802.11‐2007 and incorporates amendments k, n, r, y, p, s, u, w, v & z

802.11c Media Access Control (MAC) Bridges

802.11k √ Radio Resource Measurement Measurements of the wirelesschannel

802.11n √ Enhancements for Higher Throughput 2.4 GHz and 5 GHz (600Mb/s)

802.11r √ Fast Roaming Fast hand‐off for moving devices

802.11y √ 3650–3700 MHz Operation in USA

The IEEE 802.11‐2012 Amendment

page 27© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Title 802.11‐2012 amendment Title of standard Information

802.11mb 802.11 Standard Maintenance & Revision Second maintenance TG

802.11p √ Wireless Access for the Vehicular Environment V2V and V2I communication

802.11s √ Mesh Networking

802.11u √ Interworking with External Networks

Convergence of 802.11 and GSM

802.11w √ Protected Management Frames Security for management frames

802.11v √ Wireless Network Management Management

802.11z √ Extensions to Direct Link Setup (DLS)

The IEEE 802.11‐2012 Amendment

page 28© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Recently Published Amendments

Title Title of standard Information

802.11aa MAC Enhancements forRobust Audio Video Streaming Video Transport Streams

802.11ac Enhancements for Very HighThroughput for Operation in Bands below 6 GHz

Very High Throughput <6 GHz

802.11ad Enhancements forVery High Throughput in the 60 GHz Band

Very High Throughput 60 GHz

802.11ae Prioritization of Management Frames

802.11af Television White Spaces (TVWS) Operation 

page 29© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Amendments Under Development

Title Title of standard Information

802.11ah Sub 1 GHz sensor network, smart metering

802.11ai Fast Initial Link Setup

802.11aj China Millimeter Wave

802.11ak Enhancements for Transit Links Within Bridged Networks

802.11aq Pre‐association Discovery

802.11ax High Efficiency WLAN

802.11mc Standard maintenance (publishing 802.11‐2015)

802.11‐2015 802.11 Accumulated Maintenance Changes Will supersede 802.11‐2012 & incorporate all amendments

page 30© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Introduction to 802.11 family1.1 The Standard for Wireless Local Area Networks (WLAN)1.2 History of specifications

1.3 The PHY and MAC specifications

page 31© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11 Architecture

Terminology:

Access point (AP)

Wireless station (STA)

Infrastructure mode (BSS)

Ad‐hoc mode (WiFi Direct)

page 32© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

The 802.11 PHY layer 2,4Ghz ISM Band (11a, 11n, 11ac @ 5Ghz) 14 channels of 22 MHz Bandwidth (actual BW depends on amendment) Channel separation of 5MHz (only 3 non‐overlapped) Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)  OFDM (a, g, n, ac) or BPSK/QPSK (b) Max. Transmit power depends on local regulation of ISM band

page 33© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Access Methods in 802.11 MAC Layer DCF (Distributed Coordination Function) Ad hoc and infrastructure mode Contention based distributed system based on CSMA RTS/CTS mechanism (optional) Mandatory access mode

PCF (Point Coordination Function) Infrastructure mode Contention free centralized system Polling to coordinate senders, e.g. to ensure some degree of QoS For real time service SIFS < PIFS < DIFS (priorities!) Optional mechanism

page 34© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11 MAC basicsCarrier Sensing Multiple Access (CSMA) + optional CA

+

Binary Exponential Backoff(BEB)

CW = 2k(CWmin+1)‐1 

k = the backoff stage (0,…K)

Upon success:

CW = CWmin

page 35© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11 MAC basicsMAC Timing Basic Access Method

page 36© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11 MAC basicsVirtual Channel Sensing in CSMA/CA

A B

C D

page 37© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Some Well‐Known Problems

Due to CSMA and BEB Large overhead per MAC Protocol Data Unit (MPDU) Lack of QoS guarantees (best effort) Hidden terminal problem Exposed terminal problem Capture effect Congestion under heavy traffic loads (collisions)

Due to Adaptive Rate Anomaly Problem Slowest stations occupy the channel for longer periods

page 38© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11e (2005) Enhanced Distributed Channel Access (EDCA)  Access Categories (ACs) + Transmission Opportunity (TXOP)  Hybrid Coordination Function (HCF) Controlled Channel Access (HCCA) Arbitration Inter Frame Space (AIFS) Soft QoS

page 39© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11n (2009)

Both at 2,4GHz and 5GHzUp to 600Mbps Single User MIMO technology + OFDM Solves much better multipath propagationDouble channel bandwidth (20 and 40MHz) Reduction of protocol overhead: MSDU and MPDU Aggregation (also reduces contention) Block Acknowledgement (BACK)

– All packets transmitted within a TXOP Key limitation  only one peer‐to‐peer link!

page 40© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

What’s next?

IEEE 802.11ac, VHT below 6GHz

IEEE 802.11ad, DMG at 60GHz

page 41© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11ac, VHT below 6 GHz2.1 Key features and use cases2.2 Physical layer description (PHY)2.3 MAC layer description (MAC)

page 42© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11ac, VHT below 6 GHz2.1 Key features and use cases2.2 Physical layer description (PHY)2.3 MAC layer description (MAC)

page 43© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Key featuresHigher bit rates (reaching 6.75 Gbps)  over the 5GHz band via More channel bonding, increased from the maximum of 40 MHz in 

802.11n, up to 80 or even 160 MHz. Denser modulation, using up to 256QAM (64QAM for 802.11n) More spatial streams through MIMO: Whereas 802.11n stopped at 4 

spatial streams, 802.11ac goes all the way to 8. Identified as Very High Throughput (VHT).

MU‐MIMO Allows an AP to send multiple frames to multiple clients 

simultaneously (802.11 first) over the same frequency spectrum and PHY frame.

New features in MAC in order to support MU‐MIMO.

Backwards compatibility and coexistence with 802.11a/n

page 44© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Use cases

Use cases

page 45© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11ac, VHT below 6 GHz2.1 Key features and use cases

2.2 Physical layer description (PHY)2.3 MAC layer description (MAC)

page 46© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Spectrum and channel allocationSub 6 GHz band and channel bandwidth Due to overuse of the 2.4GHz band, 802.11ac is implemented over the 

5 GHz band. Backwards compatibility with 802.11n/802.11a is satisfied. 

Non‐overlapping channels are only defined  This follows 802.11n philosophy in order to avoid in‐band interference 

that would mandate complex coexistence schemes. 

Wider bandwidth channels 802.11n defined  20MHz and 40MHz channels (adjacent 20MHz channels) 802.11ac defines:

80MHz channels (mandatory), 160MHz channels (optional) 80 MHz channels are two adjacent 40 MHz channels but with tones (subchannels) in the middle filled in.

160 MHz channels are defined as two 80 MHz channels (80 + 80 MHz). The two 80 MHz channels may be contiguous or noncontiguous.

page 47© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Spectrum and channel allocationChannels defined for USA and globally

Channels defined for Europe and Japan

By noncontiguous 80+80 MHz channels a lot of options for gross 160 MHz bandwidth are available (i.e. 15 , and 6, for USA and Europe, respectively. However, this requires higher complexity (double RF chains).

page 48© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Spectrum detailsSpectrum mask Total transmission power 

depends on regulations FCC determines  Max TX EIRP at 23dBm for channels 36‐48, 30dBm for channels 52‐64 and 100‐144, and 36dBm for channels 149‐161.

Channel BW A (MHz) B (MHz) C (MHz) D (MHz)

20 MHz 9 11 20 30

40 MHz 19 21 40 60

80 MHz 39 41 80 120

160 MHz 79 81 160 240

page 49© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Modulation and codingOFDM is used in all cases

Modulation‐coding schemes  10 MCS (only) regardless the number of spatial streams.  MCS is common to all spatial streams

This is a change with respect to 802.11n that supported unequal modulation (UEQM) over different spatial streams. This raised the number of MCS to 77 for 802.11n. This feature has never been supported by legacy devices and was abandoned due to high complexity.

Channel coding BCC (binary convolutional code) which is mandatory LDPC (low density parity check) which is optional

page 50© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

OFDM configurationOFDM subcarriers are spaced by 312.5 KHz.

OFDM symbol duration 4 μs with 0.8 μs standard Guard Interval (GI) 3.6 μs with 0.4 μs shortened GI (achieving around 10% higher throughput) 

PHY standardFFT size

Subcarrier rangePilot

subcarriersSubcarriers(total/data)

Capacity relative to 20 

MHz802.11n/ac, 20 MHz 64 –28 to –1, 

+1 to +28 ±7, ±21 52 usable(56 total) x 1.0

802.11n/ac, 40 MHz 128 –58 to –2, 

+2 to +58 ±11, ±25, ±53 108 usable(114 total) x 2.08

802.11ac, 80 MHz 256 –122 to –2, 

+2 to +122±11, ±39, ±75, 

±103234 usable(242 total) x 4.5

802.11ac, 160 MHz or 80 + 80 MHz

512–250 to –130, –126 to –6, +6 to +126, +130 to +250

±25, ±53, ±89, ±117, ±139, ±167, ±203, 

±231

468 usable(484 total) x 9.0

page 51© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Modulation schemesNew optional 256 QAM modulation 256 QAM modulation carries 8 

information bits per symbol and provides a gain of 4/3 with respect to 64QAM that carries 6 info bits per symbol.

Denser constellations comes always with higher SNR requirements.

page 52© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Supported MCSMCS Modulation Coding 

rate Info bits per subcarrier

0 BPSK 1/2 0.5

1 QPSK 1/2 1

2 QPSK 3/4 1.5

3 16 QAM 1/2 2

4 16 QAM 3/4 3

5 64 QAM 2/3 4

6 * 64 QAM 3/4 4.5

7 64 QAM 5/6 5

8 256 QAM 3/4 6

9 * 256 QAM 5/6 6.67

* cannot be used with all combinations of SS and bandwidth

Man

datory

Optiona

l

page 53© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Frame structure

General frame format Legacy “L” Fields  together with two new VHT fields, i.e. VHT‐SIG‐A and 

VHT‐STF are replicated over each 20MHz sub‐channel.  Overall frame duration (PPDU) is variable and denoted with L‐SIG (in 

number of symbols). Physical padding is used to ensure that the number of bits match 

exactly an OFDM symbol. Tail bits are present only when convolutional coding is used. 

Example of 80MHz  transmission

page 54© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Preamble details

Preamble Legacy fields L‐STF (Short Training Field), L‐LTF (Long Training Field) 

Used for  signal detection, frequency offset estimation, timing synchronization, etc. Identical to the legacy 11a and 11n preamble fields. 

L‐SIG (Signal Field) Information regarding the bit rate and the length the packet.

page 55© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Preamble details

VHT new fields VHT‐SIG‐A and VHT‐SIG‐B (Signal Fields)

Information about channel width, modulation and coding, and whether the frame is an SU or an MU frame. 

VHT‐STF and VHT‐LTF (Short and Long Training Fields) STF is used mainly for AGC setting for MIMO transmission. LTF is used for estimation and equalization of the MIMO channel .

page 56© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Preamble detailsPreamble auto detection

Proper variation of the modulation (BPSK to QBPSK) used by L‐SIG, HT‐SIG, and VHT‐SIG‐A  successive symbols allows auto‐detection for legacy, 802.11n and 802.11ac devices.

page 57© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Preamble details

VHT‐SIG‐A field Single user (SU) version: AP → STAs and STAs → AP with 8 space‐time 

streams (SS) supported. Multi‐user (MU) version: AP → STAs with up to 4 SS for 4 users (8 SS max). BPSK modulation with ½ BCC is used for VHT‐SIG‐A.

page 58© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Preamble details

VHT‐SIG‐B field Single user (SU) version that conveys the length of the packet as a multiple 

of 4‐bytes chunks. (max 4692480 bytes vs. 65535 for 802.11n). Multi‐user (MU) version that in addition to the length of the packet 

conveys information for the MCS used (not included in multi‐user VHT‐SIG‐A). BPSK modulation with ½ BCC is used for VHT‐SIG‐B.

page 59© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Preamble details

VHT‐SIG‐B signals are replicated for bandwidth greater than 20MHz as shown in the figure above. The total length matches the number of the available subcarriers (i.e. 52, 108, 234 and 468 subcarriers for 20, 40, 80, 160 MHz, respectively), each one carrying a coded symbol (BCC ½).

page 60© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Data field

Service field  is used for scrambling initialization and VHT‐SIG‐B CRC check. 

PSDU is the MAC data part, variable in length. Pad is added in order to ensure that the length of the packet will fit the 

number of OFDM symbols. Tail bits are used for BCC reset (excluded for LDPC coding)

page 61© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Beamforming and MU‐MIMODiversity and multiplexing methods (1)

Cyclic Shift Diversity (CSD)One spatial stream  drives multiple antennas. Received signal minima are avoided by giving each transmit antenna’s signal a large phase shift relative to the others. 

Space Time Block Coding (STBC)A number of transmit antennas is used to transmit a known sequence of variants of the original OFDM symbol (e.g. Alamouti21). It can be used for conveying multiple data streams. Requires channel state information (CSI) at the receiver. 21, 42, 63, 84 STBC modes are specified for 802.11ac.

Cyclic Shift Diversity (CSD)

Space Time Block Coding (STBC)

page 62© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Beamforming and MU‐MIMODiversity and multiplexing methods (2)

BeamformingBeamforming is based on the principle of weighting antenna signals (in amplitude and phase) and steer the beam towards a specific RX antenna. It requires CSI at the transmitter.

Single User MIMO (beamforming)The transmitter is notified by the receiver about the channel matrix H (the gains and phases of each combination of TX and RX antennas) and precodes the transmission with a proper matrix Q to  maximize SNR at the receiver. 802.11ac specifies a maximum of up to 8 streams (vs. 4 streams for 802.11n).

Simple beamforming

SU‐MIMO

page 63© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Beamforming and MU‐MIMODiversity and multiplexing methods (3)

Multi User (MU) MIMO (beamforming)Generalization of SU‐MIMO where multiple users receive information simultaneously  (Space Division Multiple Access ‐ SDMA). This is introduced for first time in 802.11ac, which further specifies: Support for up to 8 spatial streams per AP in both SU and MU‐MIMO. No more than 4 spatial streams per client in a MU transmission. All SS have identical MCS for a specific STA

page 64© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Beamforming and MU‐MIMOBeamforming sounding and feedback (1)

Beamforming success depends on the channel status feedback that the beamformer receives from the beamformee in order to form the proper steering matrix Q.

In 802.11ac this feedback is provided after sounding by the beamformee in a “request‐response” fashion (explicit feedback). 

page 65© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Beamforming and MU‐MIMOBeamforming sounding and feedback (2)

All beamformees have to provide explicit feedback to the beamformer. Ideally, the beamformershould provide high gain to the direction of each user and very low gain to the directions of the other users (null‐steering)

page 66© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Beamforming and MU‐MIMOBeamforming sounding and feedback (3)

NDP announcement includes the STAs information that have to reply while NDP (Null Data Packet) is a packet with no data.

Each beamformee creates a feedback matrix based on the received power and phase shifts between each pair of TX‐RX antennas for each subcarrier. The matrix is compressed and send back to the beamformer.   The size of the matrix may vary from some hundreds of bytes up to several KB

page 67© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Data transmission and ratesTransmitter block diagram for SU VHT PPDU Data field for 20/40/80 MHz with BCC

page 68© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Data transmission and ratesTransmitter block diagram for MU VHT PPDU Data field for 20/40/80 MHz with BCC

page 69© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Data transmission and rates

* These rates are expected to drop to around 70% when MAC overhead is considered

MCS20MHz, 1SS

BW Spatial Streams

160MHz 8SS (MAX)

Long GI Short GI Long GI Short GI

0 6.5 7.2

2.1 for 40MHz 4.5 for 80MHz 9 for 160MHz

2 (2 SS) 3 (3 SS) 4 (4 SS) 5 (5 SS) 6 (6 SS) 7 (7 SS) 8 (8 SS)

468 520

1 13 14.4 939 1040

2 19.5 21.7 1404 1560

3 26 28.9 1872 2080

4 39 43.3 2808 3120

5 52 57.8 3744 4160

6 58.5 65 4212 4680

7 65 72.2 4680 5200

8 78 86.7 5616 6240

9 (86.7) (96.3) 6240 6933.3

page 70© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Data transmission and ratesData rate comparison with legacy 802.11 Ideal PHY data rates for 

various bandwidth configurations and number of spatial streams. 

MCS 9 is not available at 802.11ac for 20MHz bandwidth.

Short GI is considered when available.

BW SS 802.11a/g 802.11n 802.11ac

20MHz

1 54 72 872 – 144 1734 – 289 3478 – – 693

40MHz

1 – 150 2002 – 300 4004 – 600 8008 – – 1600

80MHz

1 – – 4332 – – 8674 – – 17338 – – 3467

160MHz

1 – – 8672 – – 17334 – – 34678 – – 6933

page 71© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Example scenarios

AP ant.

STAant. Client type SS 

(max)BW(MHz)

MCS (with short GI)

IndividualThroughput

AggregateThroughput

2 1 Smartphone 1 80

256QAM, 5/6

433.3 433.3

4 22

LaptopSmartphone

22 80 866.7

866.7 1733.3

4

1111

SmartphoneSmartphoneTabletTablet

1111

160

866.7866.7866.7866.7

3466.8

8

1124

SmartphoneTabletLaptopDigital TV

1124

160

866.7866.71733.33466.7

6933.3

8 44

PCDigital TV

44 160 3466.7

3466.7 6933.3

page 72© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Mandatory and optional features

Attribute Mandatory Optional

Bandwidth 20,40,80 160, 80+80

MCS 0..7 (up to 64QAM 5/6) 8, 9 (256QAM 3/4 and 5/6) 

Spatial streams 1 2‐8 (same MCS) 

Guard Interval Long Short 

FEC BCC (convolutional) LDPC 

STBC 21, 42, 63, 84 

Multi User 4 SS per client  (same MCS)

page 73© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11ac, VHT below 6 GHz2.1 Key features and use cases2.2 Physical layer description (PHY)

2.3 MAC layer description (MAC)

page 74© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Primary and secondary channels Channels include a 20 (40/60/80) MHz primary channel and are 

specified (and signaled) by four parameters: Current channel bandwidth (20, 40, 80, 160, 80+80) Current channel Center Frequency 1 Current channel Center Frequency 2 (in case of 80 + 80 MHz allocation) Current primary 20MHz channel

Channelization

page 75© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

ChannelizationExample 2  BW: 80 + 80 Center Freq 1: 106 (5530 MHz) Center Freq 2: 58 (5290 MHz) Primary 20MHz: 104 (5520 MHz)

Example 1  BW: 80 Center Freq 1: 42 (5210 MHz) Center Freq 2: ‐ Primary 20MHz: 44 (5220 MHz)

page 76© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

ChannelizationImplications of wider bandwidth channels Wider bandwidth increases throughput when the channels do not 

overlap. Wider bandwidth channels lead to unavoidable overlap with 

neighboring AP in dense environments. It becomes harder to choose a “clear” primary  channel.

Interference example: Assume two APs (one legacy and one 802.11ac) over the same 80 MHz band. In the first case the APs share the resources in time, in the second case the APs share the channels. Throughput of 802.11ac APs are almost equal.

page 77© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

ChannelizationEnhanced secondary Clear Channel Assessment (CCA) In all cases the 20MHz primary sub‐channel is used for full CCA which 

involves packet detection starting with the preamble. The CCA sensitivity of the primary sub‐channel is

– 82dBm for 20MHz valid signal (identical to 802.11n)– 79dBm for 40MHz valid signal– 76dBm for 80MHz valid signal– 73dBm for 160MHz valid signal

Secondary sub‐channel CCA was added to 802.11n energy detection (ED) of  – 62dBm 

– 72dBm for both 20 and 40MHz channels (ED at –62 and –59dBm, respectively)– 69dBm for 80MHz channels (ED at –56dBm respectively)

page 78© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Co‐channel operationProblem The 802.11ac AP could be nearby other uncoordinated APs.  Different APs and their associated clients have a different virtual carrier 

sense, so can transmit at different times on the different subchannels, including overlapping times.

Solution via a three step procedure (1) The 802.11ac device sends an RTS with BW indication over the 

primary 20MHz channel (replicated 3/ 7 times for 80/160 MHz). 

(2) The recipient device checks to see if there is anyone transmitting near itself on its primary channel or on any other 20 MHz within the 80 MHz.

(3) CTS is sent, replicated in 20 MHz chunks across the available and useful bandwidth. 

page 79© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Enhanced RTS/CTS

RTS and CTS have the 802.11a format

Source: CISCO Tehchnical White Paper “802.11ac: The Fifth Generation of Wi‐Fi”, Jan. 2014

page 80© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Co‐channel example

Comments With the wider channel, more clients get to transfer their data more 

quickly and they can complete their transmissions much sooner. Overall, less battery energy is consumed, and other clients don’t have to wait long (leading to better QoS).

Careful coordination is required among BSS to get the most out of 802.11ac (e.g. a centralized RRM strategy?) 

Example of two 802.11ac AP sharing the same band

page 81© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Frame Aggregation

Source: CISCO Tehchnical White Paper “802.11ac: The Fifth Generation of Wi‐Fi”, Jan. 2014

page 82© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Frame AggregationMPDU/MSDU sizes

Data unit 802.11a 802.11n 802.11ac

MSDU 2304 2304 2304

A‐MSDU ‐ 7935 According to max MPDU size

MPDU According to max MSDU size

According to maxA‐MSDU size 11454

PSDU 4095 65535 4692480

PPDU According to max PSDU size

According to max PSDU size

According to max PSDU size

Theoretical studies have shown that combined aggregation improves performance over either technique used alone. However, most practical implementations to date concentrate on A‐MPDU, which performs well in the presence of errors due to its selective retransmission ability. A‐MPDU is obligatory for 802.11ac.

page 83© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

MU Acknowledgement

Acknowledgment is performed separately for each STA. Two methods are specified with respect to TXOP. A Block Acknowledgment Request (BAR) precedes the BA.

page 84© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Services example

page 85© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Co‐existence with legacy 802.11

Transmitter type 802.11a receiver 802.11n receiver 802.11ac receiver

802.11a ‐802.11n devices may receive 802.11a frames

802.11ac devices may receive 802.11a frames

802.11n

802.11n device transmits 802.11aframes (backward compatibility)

‐802.11ac devices may receive 802.11n frames

802.11ac

802.11ac device transmits 802.11aframes (backward compatibility)

802.11ac device transmits 802.11nframes (backward compatibility)

page 86© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11ad, DMG at 60 GHz3.1 Key features and use cases3.2 Physical layer description (PHY)3.3 MAC layer description (MAC)

page 87© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11ad, DMG at 60 GHz3.1 Key features and use cases3.2 Physical layer description (PHY)3.3 MAC layer description (MAC)

page 88© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Use cases

Use cases

page 89© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Use cases

Use cases

page 90© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Key featuresSupport for data rates of up to 7 Gbit/s Different modes, starting from an energy‐saving single carrier mode 

towards a high‐performance mode with OFDM technology for very high throughput (DMG ‐ Directional Multi Gigabit) .

Ultra wide bandwidth allocation (2.16GHz)

Use of the 60 GHz unlicensed band  Global availability avoiding the overcrowded 2.4 GHz and 5 GHz bands. 

Short wavelengths (i.e. 5 mm) that make compact and affordable antennas or antenna arrays possible. 

Short ranges (1‐10m usually, less than 100m)

Beamforming Power optimization at the receiver and overcomes interference during 

the transmission in real time.

page 91© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11ad, DMG at 60 GHz3.1 Key features and use cases

3.2 Physical layer description (PHY)3.3 MAC layer description (MAC)

page 92© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Frequency and ChannelizationFrequency band 802.11ad specifies the 60GHz (57‐66 GHz) unlicensed band for the 

Directional Multi‐Gigabit (DMG) transmission with a channel bandwidth of 2.160 GHz.

Link budget considerations 1m free space path loss  raises to 68dB (47dB for 5GHz) and  88dB for 10m.  Increased bandwidth results to higher noise power (17dB more w.r.t. 

40MHz HT/VHT‐PHY). Wall attenuation 20‐60dB, human attenuation 10‐15dB. Oxygen absorption. Transmission power in the order of 10 dBm.

Directional transmission (beamforming) is required High frequency makes possible the construction of small size antenna 

arrays that will ideally “follow” the movement of the receiver.

page 93© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Frequency and ChannelizationChannels 4 channels are defined with 2.160 GHz bandwidth each.

page 94© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Frequency and ChannelizationSpectrum mask

Spectrum mask requirements are relaxed (compared to HT and VHT PHY) in order to simplify hardware implementation in the 60 GHz band. The requirements cover all modes of the physical layer (Single carrier and OFDM).

page 95© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

DMG descriptionDMG modes

(1) Control PHY Single carrier transmission designed for low SNR operation prior to 

beamforming.  One MCS scheme with a bit rate of 27.5 Mbps.

(2) Single Carrier (SC) PHY Single Carrier transmission for low power/complexity transmission. 

12 MCS schemes with a max bit rate of 4.62 Gbps. 

(2a) Low power SC PHY variant Provides additional support for further reduction in processing power. 

7 MCS schemes with a max bit rate of 2.5 Gbps.

(3) OFDM PHY High performance for frequency selective channels that achieves the 

maximum data rates. 12 MCS schemes with a max bit rate of 6.76 Gbps.

page 96© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Packet Structure

The short training field (STF) is used for packet detection, AGC, frequency offset estimation, and synchronization.

The channel estimation field (CEF) is used for channel estimation and for differentiation between SC PHY and OFDM PHY.

The header contains the parameters indicating the format of the packet and the AGC, TRN field are optional fields with beamforming information. 

page 97© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Preamble

Both STF and CEF fields are constructed by combinations of the Complementary Golay sequences Ga128 and Gb128. 

The differences in the combinations allow the receiver to discriminate among the different modes.

The sequences Gu512 and Gv512 have even better autocorrelation and cross correlation properties that allow effective channel estimation.

page 98© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Header

CPHY does not contain an MCS field, since CPHY MCS is only one. Length field defines the length of the Data field in octets. BTR (Beam Tracking Request) indicates requests regarding beamforming

training. Packet Type differentiates between BTR for transmitter and receiver. Training length defines the length of the TRN

Tone Pairing and Dynamic Tone Pairing (DTP) refer to OFDM static and dynamic pairing characteristics.

page 99© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Control PHY data transmission

A low‐density parity check (LDPC) coder is used. It always uses a codeword length of 672 bits.

Differential BPSK is used as a robust modulation. It is shifted by π/2 to avoid zero crossings in the I/Q diagram, thus keeping the difference between the peak and average power low.

Finally, the signal is spread with a Ga32 sequence. Spectrum shaping (baseband filtering) is not specified, however raised 

cosine with a rolloff factor of 0.22 is specified for measurements.

MCS Modulation Code rate  Data Rate (Mbps)

0 DBPSK 1/2 27.5

page 100© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

SC PHY data transmission

The length of the Data field may vary from 1 to 262143 octets. Variable modulation depth and LDPC coding rates are defined. The data are transmitted blockwise at 448 symbols per block. Another 64 

symbols are inserted between the individual blocks as guard intervals (GI) in order to provide a known reference signal to the receiver for in the case of long data packets.

page 101© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

SC PHY data transmissionMCS  Support of MCSs 1‐4 is 

mandatory to comply with original TGad PAR that requires 1Gpbs data rates.

In MCS 1 data bits are repeated twice.

MCS Modulation Code rate  Data Rate (Mbps)

1 π/2‐BPSK 1/2 385

2 π/2‐BPSK 1/2 770

3 π/2‐BPSK 5/8 962.5

4 π/2‐BPSK 3/4 1155

5 π/2‐BPSK 13/16 1251.55

6 π/2‐QPSK 1/2 1540

7 π/2‐QPSK 5/8 1925

8 π/2‐QPSK 3/4 2310

9 π/2‐QPSK 13/16 2502.5

10 π/2‐16QAM 1/2 3080

11 π/2‐16QAM 5/8 3850

12 π/2‐16QAM 3/4 4620

page 102© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Low power SC PHY data transmission

The length of the Data field may vary from 1 to 262143 octets. An RS(224,208) and a Block Code (or Single Parity Check code) are used 

(followed by an interleaver) for lower complexity (than LDPC).  The data are transmitted blockwise at 7 subblocks of 56 symbols 

separated by a Guard Interval of 8 bits (the last bits of a Ga64 Golaysequence). 

page 103© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Low power SC PHY data transmission

There are always 392 data symbols per block of 512 symbols. 

MCS Modulation Effectivecode rate  Coding Scheme Data Rate 

(Mbps)

25 π/2‐BPSK 13/28 RS(224,208) + Block Code (16,8) 626

26 π/2‐BPSK 13/21 RS(224,208) + Block Code (12,8) 834

27 π/2‐BPSK 52/63 RS(224,208) + SPC (9,8) 1112

28 π/2‐QPSK 13/28 RS(224,208) + Block Code (16,8) 1251

29 π/2‐QPSK 13/21 RS(224,208) + Block Code (12,8) 1668

30 π/2‐QPSK 52/63 RS(224,208) + SPC(9,8) 2224

31 π/2‐QPSK 13/14 RS(224,208) + Block Code (8,8) 2503

page 104© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

OFDM PHY data transmission

The length of the Data field may vary from 1 to 262143 octets. LDPC coding is used with a block length of 672 bits. 4 modulation schemes are defined, up to 64QAM. OFDM includes 355 subcarriers in total (336 data subcarriers) with 

5.15625 MHz subcarrier spacing. 16 pilot tones are inserted at ‐150, ‐130, ‐110, ‐90, ‐70, ‐50, ‐30, ‐10, 10, 

30, 50, 70, 90, 110, 130, 150 subcarriers. 3 null tones are inserted at ‐1, 0 1 subcarriers.

page 105© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

OFDM PHY data transmissionTone pairing to avoid frequency selective interference

Subcarriers grouping may be predefined (as shown in the figure), i.e. Static Tone Pairing (STP) or dynamically selected, i.e. Dynamic Tone Pairing (DTP), by signaling from receiver to transmitter in a request/response fashion.

© Rodhe & Schwarz, White Paper “802.11ad ‐WLAN at 60 GHz. A technology introduction”, Jan. 2014

page 106© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

OFDM PHY MCSMCS Modulation Code rate  Bits per SC Data Rate (Mbps)

13 SQPSK 1/2 1 693

14 SQPSK 5/8 1 866.25

15 QPSK 1/2 2 1386

16 QPSK 5/8 2 1732.5

17 QPSK 3/4 2 2079

18 16QAM 1/2 4 2772

19 16QAM 5/8 4 3465

20 16QAM 3/4 4 4158

21 16QAM 13/16 4 4504

22 64QAM 5/8 6 5197.5

23 64QAM 3/4 6 6237

24 64QAM 13/16 6 6756.75

page 107© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11ad, DMG at 60 GHz3.1 Key features and use cases3.2 Physical layer description (PHY)

3.3 MAC layer description (MAC)

page 108© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

MAC architecture 

page 109© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

MAC proceduresNAV setting in DMG STAs

page 110© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

MAC proceduresBackoff procedure for DMG STAs

page 111© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Frame aggregation

page 112© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Frame aggregation

page 113© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

PBSSPersonal Basic Service Set (PBSS) Group of stations that communicate (without an AP)

PBSS Central Point (PCP):  One station (considered as the PCP) provides scheduling and timing using beacons  Only the PCP can send a beacon during beacon time

Each super‐frame called “Beacon Interval” is divided into:  Beacon Transmission Interval (BTI): During BTI discovery of new stations 

occurs

Associating Beamforming Training (A‐BFT): PCP performance antenna training with its members

Announcement Time (ATI): PCP polls members and receives non‐data responses

Data Transfer Time (DTT): All stations exchange data frames in a dedicated Service Period (SP) or by contention in Contention‐Based Period (CBP)

page 114© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

PBSS

page 115© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Beamforming protocol

Source:  S.‐E. Hong, “IEEE 802.11ad”, ETRI IT R&D Global Leader.

page 116© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Beamforming protocolBeacon Transmission Interval (BTI) During BTI, discovery of new stations 

occurs  A PCP performs one or more beacon 

transmissions potentially in different directions

Beacon transmissions are omni‐directional (one beacon is transmitted through every antenna configuration)

page 117© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Beamforming protocolAssociation Beam/ing Training (A‐BFT)  An access period during which 

beamforming training is performed between the PCP and the stations (STAs) (with the STA that transmitted a Beacon frame during the preceding BTI)

Antenna training occurs and each station finds the optimal antenna configuration with its recipient using a two‐stage search: Sector Level Sweep (SLS): First it sends in all 

sectors and finds the optimal sector (sector selection)

Beam Refinement Procedure (BRP): It searches through the optimal sector to find the optimal parameters in that sector (fine tuning)

page 118© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Beamforming protocolAnnouncement Time (ATI) A request‐response based 

management access period between PCP and STAs (association, schedule)

Request and response frames transmitted during the ATI are one of the following: A frame of type Management An ACK frame A Grant, Poll, RTS or DMG CTS 

frame when transmitted as a request frame

A DMG CTS frame when transmitted as a response frame

page 119© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Beamforming protocol

Data Transfer Interval (DTI): An access period during which frame exchanges are performed between STAs All stations exchange data frames by contention in a Contention‐Based 

Access Periods (CBAPs) and scheduled Service Periods (SPs) During CBAPs, stations use either Distributed Coordination Function 

(DCF) or Hybrid Coordination Function (HCF). Directional Band CTS (Dband CTS) is used with Transmitter Address (TA) field. NAV is maintained for each source and destination pair

During  SPs, channel access is coordinated by a schedule that decides the PCP (access is given to specific stations)

page 120© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

New emerging amendments

page 121© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11aaMAC Enhancements for Robust Audio Video Streaming (2012) Problems of multicast in legacy 802.11 (overhead, RTS/CTS absence, 

Basic Rate Set, 1 video queue) 

Enhancements of 802.11aa Improvement for the multicast/broadcast mechanism of IEEE 802.11 in 

order to offer better link reliability and low jitter characteristics A method for mitigating the effects of overlapping BSS environments to 

offer increased robustness, without the need for centralized management 

The ability to prioritize between different video transport streams that belong in the same EDCA Access Category

To allow video streams to degrade in a graceful manner when the channel capacity is insufficient, by enabling packet discarding without any requirement for deep packet inspection

Compatibility with the relevant mechanisms defined by  IEEE 802.1AVB (802.1Qat, 802.1Qav, 802.1AS) for multimedia stream transport

page 122© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11aaGroup Addressed Transmission Service (GATS) 

Directed Multicast Service: Overhead, poor scalability with large multicast group

Groupcast with Retries (GCR) Unsolicited Retries: Overhead, poor in good channel quality

Groupcast with Retries (GCR) BlockAck: Best choice

page 123© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11aaStream Classification Service (SCS)

page 124© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11aaUser 

priorityDesignation 802.11e 

AC queue802.11aa AC queue

0 (lowest) Best effort (BE) BE BE

1 Background (BK) BK BK

2 Spare BK BK

3 Excellent effort BE BE

4 Controlled load VI A_VI

5 Video (VI) VI VI

6 Voice VO VO

7 (highest) Network control VO A_VO

page 125© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11aaOverlapping Basic Service Set (OBSS)

Case A: The Information Element (for the channel selection procedure) is exchanged directly between APs that are in direct range of each other

Case B: The AP can use the neighbor report capability (802.11k amendment) and can request from its associated STAs to scan the medium for neighboring APs and send back a Beacon Report

page 126© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11aaOverlapping Basic Service Set (OBSS)

Case C: One AP is in the middle of two other APs that have no knowledge of each other. The AP in the middle may find that the other two APs monopolize the wireless medium and it is unable to get any traffic through, which is called the neighborhood capture effect

page 127© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11aePrioritization of Management Frames (2012)

Problem  All management frames are transmitted with the highest priority and 

this can interfere with the transmission of multimedia traffic

Solutions A QoS management frame (QMF) service provides a mapping between 

the management frame types/subtypes and the EDCA Access Categories. All management frames are sent in an AC as defined by the current QMF policy

A signaling protocol for the exchange of frame prioritization policies that depends on the network type. In infrastructure, the AP defines the QMF policy for the whole BSS. In mesh, the QMF policy can be disseminated using either existing frames (e.g., beacons) or a mesh station defines the QMF policy with another mesh station on a per‐link basis

page 128© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11afTelevision White Spaces (TVWS) Operation (2014) Scope: It defines international specifications for spectrum sharing 

among unlicensed White Space Devices (WSDs) and licensed services in the TV white space (TVWS) that exists in the broadcast TV operating frequencies known (ranging from 470–790 MHz in Europe and non‐continuous 54–698 MHz in USA)

Characteristics:  Spectrum sharing is conducted through the regulation of unlicensed 

WSDs by a Geolocation DataBase (GDB), the implementation of which differs among regulatory domains

The physical layer is based on 802.11ac Through the Channel Availability Query (CAQ) procedure, STAs obtain 

the available radio frequencies that allow operation in their location in the form of a White Space Map (WSM)

A two‐message procedure termed Network channel control (NCC) controls the frequency usage in the TVWS band

page 129© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11ahSub 1 GHz sensor network, smart metering (pending) Scope: Allow wireless access using carrier frequencies below 1 GHz in 

the ISM (Industrial, Scientific and Medical) band and will help Wi‐Fi enabled devices to get guaranteed access for short‐burst data transmissions, such as meter data. 

Use cases: Sensors and Smart Grid Extended Wi‐Fi range for cellular traffic off‐loading Machine‐to‐Machine (M2M) communication

Characteristics:  It provides improved transmission range (compared to 802.11operating in 

the 2.4 GHz and 5 GHz bands) due to the propagation characteristics of the low frequency spectrum

page 130© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11ahSpectrum and channelization

Different bands in various countries Channels may have 1, 2, 4, 8 or 16 MHz bandwidth

page 131© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11ahOFDM based on 802.11ac 10 times downclocking from 312.5 to 31.25 KHz subcarrier distance. Symbol duration is 10 times greater (40 μs) with normal (8 μs) or 

shortened (4 μs) GI. Iden cal number of subcarriers for 160→16 MHz, 80 → 8 MHz, 20 → 2 

MHz, and 1 ΜΗz 2x lower than 2 ΜΗz.

Modulation and coding based on 802.11ac Modulation ranges from BPSK to 256 QAM Coding can be convolutional or LDPC 11 MCS schemes are defined

MU‐MIMO Equivalent to 802.11ac options with 4 a max of 4 spatial streams.

page 132© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11ah

Shortened GI results in 10/9 increase of the data rate.Data rate is further multiplied by the number of SS. Max data rate can reach ~346 Mbps.MCS 10 includes repetition of data (as defined in MCS 0) in order to enhance coverage.

MCS Modulation, Coding 1 MHz 2 MHz 4 MHz 8 MHz 16 

MHz

0 BPSK, 1/2 0.3 0.65 1.35 2.93 5.85

1 QPSK, 1/2 0.6 1.30 2.70 5.85 11.70

2 QPSK, 3/4 0.6 1.95 4.05 8.78 17.55

3 16QAM, 1/2 1.2 2.60 5.40 11.70 23.40

4 16QAM, 3/4 1.8 3.90 8.10 17.55 35.10

5 64QAM, 2/3 2.4 5.20 10.80 23.40 46.80

6 64QAM, 3/4 2.7 5.85 12.15 26.33 52.65

7 64QAM, 5/6 3.0 6.50 13.50 29.25 58.50

8 256QAM, 3/4 3.6 7.80 16.20 35.10 70.20

9 256QAM, 5/6 4.0 ‐ 18.00 39.00 78.00

10 BPSK, 1/4 0.15 ‐ ‐ ‐ ‐

Example data rates (Mbps) of available MCS with 1 SS and normal GI

page 133© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

IEEE 802.11aq/axIEEE 802.11aq ‐ Pre‐association Discovery (pending)

Scope: Will enable pre‐association discovery of services by extending some of the mechanisms in 802.11u that enabled device discovery to further discover the services running on a device or provided by a network. The idea is to advertise their existence and enable delivery of information that describes them prior to association by stations operating on IEEE 802.11 wireless networks

IEEE 802.11ax ‐ High Efficiency WLAN (pending) Scope: As a successor to 802.11ac  the scope is to enable at least one 

mode of operation capable of supporting at least four times improvement in the average throughput per station (measured at the MAC data service access point) in a dense deployment scenario, while maintaining or improving the power efficiency per station. Operation will be defined in frequency bands between 1 GHz and 6 GHz.

page 134© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Challenges and open issues

page 135© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Source: Wireless Broadband Alliance (WBA), Industry Report 2013

Recall…WiFi Can Help Boost Capacity

page 136© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Future VHT Applications

page 137© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

But also other requirements…

© http://postscapes.com/internet-of-things-examples/

Wearable devices for eHealth, fitness, gaming, augmented reality, etc.

Connected Homes (with many devices)

page 138© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Some Challenges Ahead

page 139© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Slow connection times

802.11ai: Fast Initial Link Set‐up below 100ms Discovery of network and the BSS Authentication and Association signaling IP address configuration

Mission critical applications required connections below this!

page 140© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Congestion

Still using CSMA!

page 141© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

VHT is fine, but not only…

Source: Raul Palacios and Fabrizzio Granelli, “Design of Energy Efficient Medium Access Control Protocols for WiFi Networks,”,Tutorial GREENET Project (www.fp7‐greenet.eu).

page 142© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Even with coolest tech…

page 143© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Energy Efficiency Comes Next Improve the Power Saving Mechanism (PSM)

Inactive and in Active Periods Consider Transition Times and Consumption: ON‐OFF transitions Consider Exploitation of TXOP to apply Energy Efficient Periods R. Palacios, F. Granelli, D. Gajic, C. Liss, and D. Kliazovich, “An Energy‐efficient Point Coordination 

Function Using Bidirectional Transmissions of Fixed Duration for Infrastructure IEEE 802.11 WLANs,” in IEEE ICC 2013, 9–13 Jun. 2013, pp. 1036–1041.

R. Palacios, F. Granelli, D. Kliazovich, L. Alonso, and J. Alonso‐Zarate, “An Energy Efficient Distributed Coordination Function Using Bidirectional Transmissions and Sleep Periods for IEEE 802.11 WLANs,” in IEEE GLOBECOM 2013, 9–13 Dec. 2013, pp. 1641–1647.

R. Palacios, E. M. B. Larbaa, J. Alonso‐Zarate, and F. Granelli, “Performance Analysis of Energy‐Efficient MAC Protocols using Bidirectional Transmissions and Sleep Periods in IEEE 802.11 WLANs”, in IEEE GLOBECOM 2014, 8‐12 Dec. 2014. CQRM 4: Resource Allocation in Wireless Networks from Thu, December 11, 2014 14:00 until 15:45 (3rd paper) in 602 (17.5 min.)

Consider TXOP and Duty Cycling to execute innovative approaches, such as Network Coding (longer packets) CQRM I‐1: Network Coding from Thu, December 11, 2014 10:30 until 12:15 (3rd paper) in INTERACTIVESESSIONROOM (17.5 min.)

page 144© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Security

Protection against attacks (e.g. DoS)

Data Interception Privacy and Confidentiality

Wireless Intruders

MisconfiguredPublic APs

Misbehaving users

Suggested Reading: http://www.esecurityplanet.com/views/article.php/3869221/Top‐Ten‐WiFi‐Security‐Threats.htm

page 145© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Seamless Operation in 5G vision

Source: https://www.qualcomm.com/media/documents/files/wireless-networks-wi-fi-evolution.pdf

ANDSF: Access Network Discovery and Selection Function defined in 3GPPP

page 146© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

MultiRAT Integration

page 147© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Competitors?

page 148© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

In Summary…. Increasing amounts of data Tighter QoS Requirements (latency, delay, jitter, etc.) Need to offload cellular networks Increasing number of simultaneous users Still worse with the arrival of the IoT Trend towards use of smaller cells (large ranges not needed) Everything is about providing

VHT High Energy Efficiency Massive Access in dense Areas Secured Communications

page 149© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Q & AThank you very much for the careful listening!

Questions?

page 150© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Additional

page 151© 2014 P. Chatzimisios, A. Iossifides,  J. Alonso‐Zarate

Complementary Golay sequencesCorrelation with Golaysequences Ga128 and Gb128 is performed in parallel with a single, very simple and fast circuit.  

AC(Ga128)