Sistemas de Telecomunicación TEMA 5 TECNOLOGÍAS WLAN

Transcripción

1 Sistemas de Telecomunicación TEMA 5 TECNOLOGÍAS WLAN

2 Microondas Técnicas de espectro ensanchado (capa física de la WLAN): Tienen sus orígenes en la industria militar Seguridad en la transmisión Robustez frente a interferencias Robustez frente a efectos de multitrayecto (fading) Los sistemas de espectro ensanchado pueden coexistir con otros sistemas radio: No les afectan las señales de otros sistemas No afectan a otros sistemas cercanos Por tanto, los sistemas de espectro ensanchado pueden ponerse en marcha sin la necesidad de licencia Tecnología elegida para la implementación de WLAN y BWA (Broadband Wireless Access) Las técnicas de modulación buscan minimizar el ancho de banda Las técnicas de espectro ensanchado ocupan todo el ancho disponible Son eficientes en entornos con múltiples usuarios

3 Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) El ancho de banda disponible se divide en diferentes canales Se cambia el canal (frecuencia) de transmisión en instantes de tiempo determinados Una secuencia aleatoria determina la frecuencia a utilizar en cada intervalo de tiempo Se utiliza una anchura de canal de 0.5 MHz en la banda de 902 MHz y de 1 MHz en las bandas de 2.4 GHz y 5.8 GHz

4 Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Diagrama de bloques en Tx Y Rx:

5 Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) El receptor ha de estar sincronizado y ejecutar la misma secuencia de salto de frecuencia para demodular la señal Se minimizan los problemas de seguridad e interferencias: La intercepción de la transmisión en una frecuencia determinada implica la obtención de unos bits La interferencia de la transmisión en una frecuencia determinada afecta únicamente a unos bits La frecuencia de la secuencia de salto define la naturaleza del sistema: Si es mayor que el tiempo de tx de un bit Se tx varios bits a través de un mismo canal (slow frequency hopping) Si es menor que el tiempo de tx de un bit Se tx un bit a través de varios canales (fast frequency hopping) La señal transmitida en un momento dado es el resultado de la modulación de la señal portadora de un canal (frecuencia central del canal) mediante los datos a enviar La capacidad máxima viene dada por la capacidad de cada uno de los canales Las dos bandas superiores de ISM ofrecen mayor tasa de tx

6 Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) WLANs basadas en FHSS poseen una gran robustez frente a interferencias de banda estrecha: P. ej., la banda de 2.4 GHz posee un ancho de 83.5 MHz Una señal interferente de banda estrecha con 2 MHz sólo afectará a dos o tres subcanales FHSS inteligente Evitar la utilización de los canales contaminados (no contenidos en la secuencia aleatoria) Varias WLANs pueden operar en la misma área geográfica implementando FHSS en el nivel físico: Es necesario que las WLANs empleen secuencias de salto ortogonales

7 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Se multiplica la señal banda base original por una secuencia de código producida por un generador pseudoaleatorio (chipping code): Esta secuencia posee una tasa de bits entre 10 y 100 veces superior a la señal banda base (factor de ensanche, spreading factor) La cadena resultante posee una tasa de bits similar a la del código empleado Se ensancha el espectro de la señal original en proporción al factor de ensanche Esta señal resultante modula posteriormente a una portadora para su tx

8 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) El ancho de banda original se reduce conforme se aumenta el factor de ensanche: Si el canal tiene un ancho de C MHz y se aplica un factor de ensanche de 10 La señal original deberá tener un ancho de banda máximo de C/10. El estándar IEEE contempla la utilización de DSSS en la banda de 2.4 GHz Se divide en subcanales de 11 MHz con un factor de ensanche de 11. Diferentes WLAN pueden operar en el mismo área empleando diferentes canales El acceso compartido del medio también se realiza mediante la utilización de códigos ortogonales CDMA

9 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Diagrama de bloques en Tx Y Rx:

10 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Robustez frente a interferencias: Operación de correlación en el Rx con el mismo código empleado en el Tx El ancho de banda de la señal se reduce El ancho de banda de la interferencia se ensancha El filtrado posterior eliminará gran parte de la potencia de la señal interferente

11 Modulación en banda estrecha Inicialmente, este tipo de tx eran usados bajo licencia Posteriormente, se emplearon en zonas del espectro donde no se requiere licencia o en la banda ISM (baja potencia < 0.5 W) Ausencia de interferencias en sistemas con licencia Mayor tasa de bits en un canal con ancho C que en el caso de espectro ensanchado. P. ej., un sistema DSSS logra C/10 si el factor de ensanche es de 10 mientras que aprovechando todo el canal podría lograrse una tasa de C. Este tipo de modulación se emplea en el estándar HIPERLAN

12 Orthogonal Fequency Division Multiplexing (OFDM) Permite reducir la ISI debida a los efectos multitrayecto Multiplexación por división en frecuencia FDMA Transmisión mediante multiportadora: el espectro disponible se divide en múltiples portadoras (subcanales) de ancho reducido Cada portadora se modula (PSK) por una señal con baja tasa de bit OFDM optimiza la utilización del espectro frente a FDMA: Los canales están mucho más próximos entre sí Gracias a portadoras ortogonales

13 Orthogonal Fequency Division Multiplexing (OFDM) Comparación con FDMA:

14 Orthogonal Fequency Division Multiplexing (OFDM) Ortogonalidad: En cada frecuencia portadora todas las señales excepto la señal deseada son nulas Ha de escogerse correctamente el espacio ( f) entre portadoras: 1 Δ f = T Se precisa una perfecta sincronización en el Rx u

15 5.5. Nivel MAC Estándar IEEE MAC (Medium Access Control): Subcapa del nivel de enlace de datos (nivel 2 del modelo OSI) Funciones: direccionamiento y control de acceso en redes LAN Ejemplos de protocolos de control de acceso al medio: TDMA FDMA CSMA/CD CSMA/CA CDMA OFDMA

16 5.5. Nivel MAC Estándar IEEE Inicialmente, se trató de adaptar la técnica de token passing a redes WLAN Problemas relacionados con este procedimiento: Las pérdidas del testigo son más probables en entornos inalámbricos, ya que éstos poseen una BER elevada El nodo en posesión del testigo precisa información sobre sus vecinos y sobre la topología de la red La topología puede variar en sistemas inalámbricos CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) Método empleado tanto en IEEE como en HIPERLAN Reduce la probabilidad de colisión Versión diferente a CSMA/CD ya que la detección de colisión no es sencilla en redes inalámbricas

17 5.5. Nivel MAC Estándar IEEE IEEE define una única capa MAC compatible con todas las opciones de nivel físico mencionadas anteriormente Protocolo MAC de IEEE : Distributed Foundation Wireless MAC (DFWMAC) o Distributed Coordination Function (DCF) Basado en CSMA/CA Servicios (además de direccionamiento y control de acceso): Autenticación Encriptación Ahorro de energía Funcionamiento de DCF CSMA/CA mediante slots de tiempo

18 5.5. Nivel MAC Estándar IEEE DCF en IEEE : Diferentes intervalos de espera conocidos como IFS (Interframe Spaces) Funcionamiento: Una estación quiere tx Escucha el medio Si está libre durante IFS comienza la tx Si el medio está ocupado o se ocupa durante la espera IFS Se aplaza la tx hasta que el medio quede libre Cuando esto sucede Se espera durante IFS Si al final está libre Espera durante un número (variable) de slots (back-off time) Si al final está libre se comienza la tx Dos o más estaciones pueden elegir el mismo slot para tx Colisión Duración del slot depende del nivel físico Tiempo que tarda una estación en detectar una trama de cualquier otra estación: FHSS: 50 μs DSSS: 20 μs IR: 8 μs

19 5.5. Nivel MAC Estándar IEEE DCF define tres tipos de intervalos de espera para asignar prioridades de acceso. De menor a mayor longitud: Short IFS (SIFS) Point Coordination Function IFS (PIFS) Distributed Coordination Function IFS (DIFS)

20 5.5. Nivel MAC Estándar IEEE Ejemplo de funcionamiento:

21 5.5. Nivel MAC Estándar IEEE SIFS se emplea en las siguientes operaciones: MAC level acknowledgment (ACK): cuando una estación recibe una trama de datos envía un ACK (espera de SIFS para enviar ACK). Siel tx no recibe el ACK asume que ha habido una colisión Fragmentación: en el subnivel MAC los datos del nivel posterior (capa de enlace de datos) se fragmentan en varias tramas de tamaño igual al umbral de fragmentación. Para asentir cada trama, el Rx envía un ACK después de esperar durante SIFS. RTS/CTS: control a cuatro bandas (RTS-CTS-DATA-ACK). El Tx envía RTS (Request To Send) para indicarle al Rx que desea tx El Rx responde con CTS (Clear To Send) si está listo El Tx envía los datos (DATA) El Rx los confirma mediante ACK

22 5.5. Nivel MAC Estándar IEEE

23 5.5. Nivel MAC Estándar IEEE El mecanismo RTS/CTS pretende eliminar el problema del nodo oculto Los datos RTS y CTS son muy pequeños El gasto de recursos cuando se produce una colisión entre este tipo de datos es mucho menor comparándola con el caso de colisión entre datos Sin embargo, en entornos con escasa capacidad y/o cantidades de información a Tx muy pequeñas, la inclusión de RTS y CTS conlleva más retrasos en la red.

24 5.5. Nivel MAC Estándar IEEE Topologías soportadas por el protocolo MAC de IEEE : Redes ad hoc Redes de infraestructura Elementos en las redes de infraestructura: Backbone (DS, Distribution System): puede ser una LAN cableada, una WLAN, un enlace ATM, etc. Puntos de acceso (AP, Access Point): permite el acceso al backbone Conjunto de servicio básico (BSS, Basic Service Set): conjunto de estaciones asociadas a un determinado AP Conjunto de servicios extendido (ESS, Extended Service Set): interconexión de varios BSS mediante el DS

25 5.5. Nivel MAC Estándar IEEE El número de BSSs que forman una WLAN es transparente para los protocolos del nivel de enlace lógico de datos

26 5.5. Nivel MAC Estándar IEEE Dentro de un EES, los BSSs que lo forman pueden ser: Disjuntos: baja interferencia pero cobertura no contínua Solapados: alta interferencia pero cobertura contínua Coexistentes: operan en el mismo área pero emplean técnicas de acceso al medio compartido como FHSS o DSSS. El estándar IEEE define tres tipos de movilidad: Sin transición: nodos que no salen de su BSS o no se mueven Transición entre BSSs: roaming desde un BSS a otro dentro de un mismo ESS Transición entre ESSs: roaming desde un BSS en un ESS a otro BSS perteneciente a un ESS distinto

27 5.5. Nivel MAC Estándar IEEE Seguridad mediante cifrado (evita el acceso a los datos): Transmisión de datos cifrados mediante el algoritmo WEP (Wired Equivalent Privacy). Se comparte una clave en Tx y Rx para encriptar y desencriptar datos Autenticación (evita la suplantación de identidad): Autenticación de sistema abierto (dos acciones): Cuando no se precisa un nivel elevado de seguridad El Tx anuncia su deseo de comunicarse con otra estación o AP mediante una trama de autenticación El Rx responde con otra trama accediendo a la comunicación o no Autenticación mediante clave compartida (cuatro acciones): El Tx envía una trama de autenticación al Rx E Rx responde con otra trama de 128 bits El Tx, una vez recibida, la encripta mediante WEP y se la envía al Rx El Rx la desencripta y comprueba que es la trama original

28 5.5. Nivel MAC Estándar IEEE Medidas adicionales de seguridad (no incluidas en el estándar): SSID (Service Set Identifier): identifica el área cubierta por uno o más AP. Una estación inalámbrica puede decidir la red a la que asociarse mediante la escucha del SSID. WPA (Wi-Fi Protected Access): pre-estándar soportado por la Wi-Fi Alliance. Utiliza encriptación mejorada frente a WEP Protocolo TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) Mayor longitud de clave Claves dinámicas para cada usuario, para cada sesión y para cada paquete enviado WPA2 es la siguiente evolución de WPA.