Redes de Área Local Inalámbricas. WLAN

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1 Redes de Área Local Inalámbricas. WLAN Configuración de las redes WLAN Servicios y aplicaciones. Redes ad-hoc o Peer to peer y Modo infraestructura. Estandar IEEE IEEE b. IEEE a y otros Nivel de acceso al medio (MAC) Protocolo de Acceso al medio CSMA/CA y MACA. Función de coordinación puntual (PCF). Capa física PHY. Canales e interferencias. Espectro ensanchado, modulaciones, potencias Seguridad Planificación de una red WLAN Comunicaciones móviles digitales WLAN 1

2 Introducción Redes WLAN (Wireless Local Area Network). Rápida evolución en los últimos años IEEE , en sus distintas versiones, b, g, a..., WiFi HiperLAN 1 en la frecuencia de 2,4 GHz, e HiperLAN 2 en la banda de 5 GHz. Clasificación de las redes inalámbricas: Redes extensas o metropolitanas, WWAN/WMAN Redes de área local, WLAN Redes de área personal WPAN ( Wireless Personal Area Network) Velocidad (Kb/s) WPAN Bluetooth WLAN Hiper- LAN WMAN WWAN Cobertura (metros) Comunicaciones móviles digitales WLAN 2

3 Configuración de las redes WLAN Redes ad-hoc o Peer to peer Red de dos o más terminales móviles equipados con la correspondiente tarjeta adaptadora para comunicaciones inalámbricas. Comunicación directa entre ordenadores sin acceso a un servidor central. Modo infraestructura. Utilización de uno o varios Puntos de Acceso. Elementos que actúan como repetidor y permiten aumentar la cobertura. Se pueden conectar a una red fija. BSS1 ESS BSS3 Punto de acceso BSS: Basic Service Set. Zona (célula) cubierta por un Punto de Acceso. ESS: Extended Service Set. Varios grupos de BSSs (cada uno de ellos con un Punto de Acceso) conectados. BSS2 DS ROUTER INTERNET Comunicaciones móviles digitales WLAN 3

4 Estándares IEEE Radiofrecuencia 2.4 GHz o infrarrojo (850 a 950 nm). 1-2 Mbps a (1999) Extensión de en de la banda de los 5GHz UNII, OFDM. 54 Mbps b (1999) Espectro ensanchado de secuencia directa DSSS (300 m), 11Mbps e (2004). Calidad de servicio QoS y VoIP para a,h y g f (2003). Roaming con IAPP (Inter Access Point Protocol) g (2003) Mbps usando DSSS y OFDM en la banda de 2.4 GHz. Es compatible hacia atrás con b h. Desarrollado por exigencia de la Unión Europea (2003). Selección de frecuencia dinámica (DFS) y control de potencia (TPC) i Estándar adicional para seguridad: RC4 o AES. (2004) n 540 Mbits/s, Multiple Input Multiple Output (MIMO). (2006). WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) Conformidad y Certificación Wi-Fi (Wireless Fidelity) para sus productos. Comunicaciones móviles digitales WLAN 4

5 Estándar IEEE b. Banda de frecuencias de 2.4 GHz (2.4 a GHz), sin asignación. Técnica de espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS), Modulación Velocidad de Chip: 11 Mchip/s. Velocidad de símbolo: 1MHz, 1,375 MHz. Velocidad de Bit: 1Mbit/s, 2 Mbit/s, 5.5 Mbit/s y 11 Mbit/s Depende de la velocidad con que se quiera o se pueda transmitir: Código convolucional (opcional) 1 Mbps: DBPSK, 2 Mbps: DQPSK, 5.5 y 11 Mbps: CCK, OFDM 54 Mbits/s y Niveles máximos de potencia transmitida: En EEUU 1 W, para Europa 100 mw (PIRE) y para Japón 10 mw. Mínimo nivel de entrada: aproximadamente. 1 Mbps: -94 dbm, 2 Mbps: -91 dbm, 5,5 Mbps: -89 dbm, 11 Mbps: -85 dbm. Punto de Acceso: Alcance 40 metros en interiores a la máxima velocidad, 500m en exteriores con visibilidad directa y a la mínima velocidad Soporta hasta 250 usuarios concurrentes. Comunicaciones móviles digitales WLAN 5

6 Estructura de protocolos. IEEE definen sólo dos niveles del modelo de referencia OSI: Capa Física Capa MAC Cualquier aplicación LAN, sistema operativo de red o protocolo, incluyendo TCP/IP puede funcionar en el estándar IEEE de igual manera que en una red local cableada. Niveles superiores TCP/IP Control de Acceso Lógico (LLC) Control de Acceso al Medio (MAC) Nivel de Enlace Diferentes técnicas b, a, g PHY: Nivel Físico Comunicaciones móviles digitales WLAN 6

7 Nivel de acceso al medio (MAC). IEEE define una única capa MAC (dividida en dos subcapas) para todas las redes físicas. Controla el acceso al medio, Fragmentación y desfragmentación y encriptado. Gestión de potencia, sincronización y escaneo del medio Control de flujo y el manejo de múltiples tasas de transmisión. Arquitectura MAC Función de coordinación, funcionalidad que determina, dentro de un (BSS) cuándo una estación a nivel MAC puede transmitir y/o recibir (a través del medio inalámbrico), unidades de datos de protocolo (PDU). Subnivel MAC Función de Coordinación Puntual (PCF) Función de Coordinación Distribuida (DCF) Servicios libres de contienda Acceso determinista. CFP Servicios con contienda Acceso aleatorio. CP Nivel Físico PCF y DCF pueden coexistir alternando los métodos de acceso Comunicaciones móviles digitales WLAN 7

8 Protocolo de Acceso al medio CSMA/CA y MACA. CSMA/CA. Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance. Una estación mide el nivel de señal antes de transmitir para determinar su estado (libre/ocupado) por debajo o por encima del valor ThresholdED. Si el medio no está ocupado por otra trama, la estación hace una espera adicional llamada IFS (Interframe space). Si durante este intervalo, o bien ya desde el principio, el medio se considera ocupado, la estación debe esperar hasta el final de la transmisión actual. Una vez finaliza esta espera, la estación ejecuta el llamado algoritmo de Backoff: espera adicional y aleatoria dentro de un intervalo llamado ventana de contienda (CW) con el fin de reducir la probabilidad de colisión. Problemas CSMA/CA en un entorno inalámbrico. Nodos ocultos. Canal ocupado por un nodo al que no se recibe Nodos expuestos podría transmitirse a otro destino no ocupado. Protocolo MACA (MultiAccess Collision Avoidance). Combina CSMA/CA con el intercambio previo de paquetes especiales: Request to Send (RTS), Clear to Send (CTS) y reconocimiento (ACK) para alertar a cada nodo de que un nodo de transmisión tiene datos que mandar. Comunicaciones móviles digitales WLAN 8

9 Formato de trama IEEE La capa MAC obtiene las MSDU (MAC Service Data Unit) o las MMPDU (MAC Management Protocol Data Unit) procedentes del subnivel LLC y las fragmenta para permitir la retransmisión en caso de colisión Datos procedentes de LLC LLC Cabecera MAC MSDU FCS MAC MPDU Nivel Físico Control trama Duración ID Dirección 1 Dirección 2 Dirección 3 Seqctl Dirección 4 Cuerpo trama FCS 2(bytes) Protocolo Tipo Subtipo A DS De DS Mas frag Reintento Control potencia Más datos WEP Ord en 2 (bits) Comunicaciones móviles digitales WLAN 9

10 Capa física PHY. Varias capas físicas Infrarrojos (IR) Espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS) Espectro ensanchado por secuencia directa (HR/DSSS): 11 Mbps Multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) 54 Mbps divide la capa física en dos subcapas: Phisical Layer Convergence Procedure (PLCP) mapea las tramas en el medio Physical Medium Dependent (PMD) transmite las tramas. MPDU MAC Preámbulo PLCP Cabecera PLCP PSDU PLCP PPDU Nivel Físico Transmisión PMD Comunicaciones móviles digitales WLAN 10

11 Formatos de Trama PLCP. La capa PLCP tiene dos formatos posibles de trama: Trama larga o trama corta. consiste en añadir cabecera y preámbulo a la MPDU procedente de la capa MAC. SYNC 128 bits SFD 16 bits SEÑAL 8 bits SERVICIO 8 bits LONGITUD 16 bits CRC 16 bits 1 Mbit/s DBPSK PLCP Preámbulo 144 bits PLCP Cabecera 48 Bits PSDU 192 μs PPDU 1 DBPSK 2 DQPSK 5.5 o 11 Mbit/s Comunicaciones móviles digitales WLAN 11

12 Canales e interferencias. Las interferencias son el principal problema en este tipo de redes. 14 canales de 5 Mhz para la banda de 2,4 GHz. El ancho de banda ocupado es de 20 MHz existiendo un solape. 5 MHz 20 MHz Frecuencia( MHz) F 6 12 Configuración de canales Minimizar la interferencia y aumentar la capacidad. C D E Como máximo tres canales independientes en una zona A B Frecuencia Comunicaciones móviles digitales WLAN 12

13 Espectro ensanchado y modulaciones. Secuencia de Barker para la señal de chip. +1,-1,+1,+1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,-1 IEEE b Modulación DBPSK para 1Mbps Modulación DQPSK para 2Mbps Modulación CCK (Complementary Code Keying) para 5.5 y 11 Mbps. IEEE a OFDM a una frecuencia de 5 GHz 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 Mbit/s. 52 sub-portadoras moduladas BPSK, QPSK, 16QAM o 64QAM Codificadores convolucionales con una tasa de ½, 2/3, o ¾, Comunicaciones móviles digitales WLAN 13

14 OFDM. IEEE g OFDM a una frecuencia de 2,4 GHz 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 Mbit/s. 52 sub-portadoras moduladas BPSK, QPSK, 16QAM o 64QAM Codificadores convolucionales con una tasa de ½, 2/3, o ¾, FEC Entrelezado IFFT Adición GI Confor mado Modul. IQ Tx IQ Det. Remove GI FFT Desentrel. FEC AFC Recuperación Reloj Rx Comunicaciones móviles digitales WLAN 14

15 Seguridad Autentificación y privacidad SSID. Identificadores del conjunto de servicios (Service Set Identifiers). Asignación de nombres a los puntos de acceso. Seguridad muy débil. WEP. Privacidad equivalente al cable (Wired Equivalent Privacy). Esquema simétrico en el que la misma clave y algoritmo se utiliza para la autenticación, el cifrado y descifrado de los datos. WEP-40, WEP-128 : Algoritmo de clave pública RSA RC4 con clave secreta de 40 bits o 128 bits. Problemas de WEP. Robo de hardware. Puntos de acceso falsos Comunicaciones móviles digitales WLAN 15

16 Planificación WLAN Número de puntos de acceso y su ubicación Cobertura y capacidad en la zonas deseadas, y roaming si es necesario. Requisitos. Áreas donde se necesita tener cobertura, interfaces con redes existentes. Número de usuarios y tipo de dispositivos, Aplicaciones que utilizarán la red. Diseño: Arquitectura del sistema. Ubicación de los puntos de acceso y cobertura radioeléctrica, Posibles problemas de interferencias. Conjunto de material, interconexión del software y hardware y coste final. Viabilidad: Viabilidad y beneficio de la red WLAN en función del coste. Desarrollo: aplicaciones software para implementar ciertas funciones. Instalación y pruebas: Cobertura, modificación de ubicaciones, documentar todos los cambios. Soporte Servicio técnico para la solución de los problemas. Comunicaciones móviles digitales WLAN 16

17 Planificación WLAN Modelos de propagación. Exteriores. Para distancias pequeñas (< 100 m) y visibilidad directa: Espacio libre. Para distancias mayores. Tierra plana. Con obstáculos: Atenuación por difracción. Interiores: modelo COST 231. Atenuación de materiales a 2,4 GHz. Tipo de obstáculo Tipo 1: Mampara de materiales sintéticos o de madera con un grosor de 2 o 3 cm. Tipo 2: Paredes de 4 o 5 cm de grosor. Materiales sintéticos, madera o yeso. Tipo 3: Paredes de entre 10 y 15 cm de grosor de yeso, ladrillos y baldosas. Tipo 4: Paredes de entre 30 y 60 cm de grosor de yeso, ladrillos y cemento. Vidrios: Se incluyen ventanas y puertas de vidrio. Metales: ascensor, las puertas y las estanterías metálicas. Atenuación 8.1 db 13.0 db 20.9 db 32.8 db 19.2 db db Comunicaciones móviles digitales WLAN 17

18 Planificación WLAN Balance del enlace. Margen para desvanecimientos lentos y rápidos: 10 db Sensibilidad o umbral de recepción. Tecnología S (dbm) FER / PER b -76 dbm PSDU de 1024 octetos FER (Frame Error Rate) PER (Packet error rate) a Velocidad (Mbit/s) S (dbm) PSDU de 1000 octetos Modelos de Tráfico en WLAN Sistemas de espera con un solo canal por punto de acceso. Erlang C C( 1, A ) = A, donde A debe ser menor que 1 Comunicaciones móviles digitales WLAN 18

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