Tema 2. IEEE 802.11. TECNOLOGÍA INALÁMBRICA Alejandro Carrasco Muñoz Jorge Ropero Rodríguez
1. Estándar 802.11 Estándar: un conjunto de normas o reglas establecidas con el fin de proporcionar un marco común de trabajo. Estándar IEEE 802.11: establece las características de los niveles físico y de enlace de datos del modelo OSI ( Ethernet inalámbrica ). IEEE 802.11 es llamado de varias maneras: Wi-Fi, Wireless-Fidelity, WLAN, Wireless LAN y IEEE 802.11x. Wi-Fi: marca comercial. Hoy en día se utiliza como sustituto de IEEE 802.11. Wireless LAN o WLAN: usado para cualquier red de área local inalámbrica que utilice las ondas de radio como portadora. IEEE 802.11x se usa habitualmente para referirse a todo el grupo de estándares dentro del IEEE 802.11 (b, a, g, etc.).
Estándares 802.11x IEEE 802.11: Año 1997. Ahora a veces se llama 802.11 legacy. 1-2 Mbps en 2.4 GHz. Técnicas de modulación por salto de frecuencias (FHSS) o secuencia directa (DSSS). IEEE 802.11b: Extensión de 802.11, 11 Mbps, DSSS. Año 1999. Muy extendido en su día. 14 canales de 22 MHz (parcialmente solapados). IEEE 802.11a: Extensión de 802.11 Año 1999. 54Mbps, OFDM, 5 GHz. Banda menos congestionada. Incompatible con 802.11b.
Estándares 802.11x IEEE 802.11g: Extensión de 802.11. Año 2003 (norma). Año 2005 (mercado). 20-54 Mbps, DSSS y OFDM Compatible hacia atrás con 802.11b Más alcance y menos consumo que 802.11a IEEE 802.11n: Extensión de 802.11. Año 2005 (borrador). Año 2007 (aprobado). 450Mbps (llegando hasta 600 Mbps). Multiple-input. Multiple-output (MIMO). Compatible hacia atrás con 802.11b. Canales de 40 MHz. Funcionamiento a 5 Ghz (mejor rendimiento), aunque se pueden usar los 2.4 Ghz, si las frecuencias están libres.
Estándares 802.11x Norma Banda Velocidad 802.11a 5 GHz 54 Mbps 802.11b 2,4 GHz 11 Mbps 802.11g 2,4 GHz 54 Mbps 802.11n las dos 200 Mbps
2. Capas física y de enlace de datos Capa física: Finalidad: transportar correctamente la señal que corresponde a los datos (ceros y unos) que el transmisor desea enviar al receptor. Se encarga principalmente de la modulación y codificación de los datos. Para poder usar esa banda: spread spectrum (técnica del espectro expandido). Capa de enlace de datos: Control de acceso al medio (MAC). Control lógico del enlace (LLC)
Capa física Modulación Mientras más eficientemente se codifiquen los datos, mayores tasas o flujos de bits se consiguen dentro del mismo ancho de banda. En IEEE 802.11 se utiliza más ancho de banda del mínimo necesario para mandar un bit a fin de conseguir protección contra las interferencias. La manera ensanchar el ancho de banda correspondiente a la información conduce a diversas técnicas de modulación. FHSS ((Frequency Hopping Spread Spectrum espectro ensanchado por salto de frecuencia ). DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum espectro ensanchado por secuencia directa ). OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing - Espectro expandido por división de frecuencias ortogonales ).
Capa física Modulación FHSS ((Frequency Hopping Spread Spectrum espectro ensanchado por salto de frecuencia ). Transmite sobre una frecuencia por un tiempo determinado, para después, aleatoriamente, saltar a otra. El transmisor debe enviar al receptor señales de sincronización que contengan la secuencia y la duración de los saltos. En el estándar IEEE 802.11 se utiliza la banda de frecuencia que va de los 2,400 hasta los 2,4835 GHz, la cual se divide en 79 canales de 1 MHz de ancho cada uno. El salto se hace cada 300 a 400 ms, denominándose este tiempo dwell time. Este tipo de modulación no es común en los productos actuales, puesto que ofrece un ancho de banda no demasiado grande, pese a su inmunidad al ruido y seguridad.
Capa física Modulación DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum espectro ensanchado por secuencia directa ) Cada bit correspondiente a un 1 es sustituido por una secuencia de bits específica y el bit igual a 0 es sustituido por su complemento. En lugar de ensanchar el espectro usando diferentes frecuencias, cada bit se codifica en una secuencia de impulsos más cortos (chips). Los 11 chips en que se ha dividido cada bit original ocupan el mismo intervalo de tiempo. Esta técnica de modulación ha sido común desde el año 1999 al 2005, siendo más rápida que FHSS, pero más vulnerable a interferencias.
Capa física Modulación OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing - Espectro expandido por división de frecuencias ortogonales ) Basada en la idea de la multiplexión por división de frecuencia (FDM) Un sólo transmisor transmite en muchas (desde decenas a millares) frecuencias ortogonales. Esta técnica de modulación es la más común a partir del 2005, debido a que es muy robusta respecta a la recepción de señales con distintos retardos y amplitudes, usándose, por ejemplo, entdt, WiFi, WiMax, ADSL.
Capa física Frecuencia Un aspecto importante de las WLAN es la interferencia de la señal de radio en las áreas metropolitanas, al utilizar dispositivos que operan en la misma banda de frecuencia. Dado que los estándares 802.11 usan el espectro sin licencia, el cambio de canales es la mejor forma de evitar estas interferencias. Por ejemplo, la banda libre a 2.4 GHz (usada, por ejemplo en 802.11b y 802.11g) puede recibir interferencias de teléfonos inalámbricos, hornos microondas, videos inalámbricos, dispositivos Bluetooth, radioaficionados o radiolocalización.
Capa de enlace Trama 802.11 de datos Cabecera LLC/SNAP (802.2) Control Dura- Dirección Dirección Dirección Seq. Dirección Datos CRC Trama ción Destino Origen 3 4 IP 2 Bytes 2 Bytes 6 Bytes 6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes 6 Bytes 0-2312 Bytes 4 Bytes Trama Ethernet Dirección Destino Dirección Origen EType Datos CRC IP 6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes 46-1500 Bytes 4 Bytes
Capa de enlace Control lógico del enlace (LLC). La subcapa LLC de 802.11 es idéntica a la de 802.2. Control de acceso al medio (MAC). Presenta cambios sustanciales para adecuarla al medio inalámbrico. En Ethernet, CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection - acceso múltiple por detección de portadora con detección de colisión -). En redes inalámbricas resulta demasiado costoso, ya que los errores de transmisión son más frecuentes. Se añaden funcionalidades especificas para radio como fragmentación, control de error mediante CRC, retransmisiones de tramas y acuse de recibo, que en las redes cableadas son responsabilidad de las capas superiores (CSMA/CA y MACA).
Capa de enlace Control de acceso al medio (MAC). Tres tipos de MAC_PDU Existen tres tipos de MAC_PDUs: Datos Control: ACK, RTS, CTS Gestión: Beacon, Probe Request/Response, Association Request/Response
Capa de enlace Protocolo CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance - acceso múltiple por detección de portadora con evasión de colisión -) En las redes inalámbricas, que utilizan la misma frecuencia para transmitir y recibir, es imposible detectar las colisiones en el medio, por lo que el mecanismo de compartición del medio se modifica tratando de limitar las colisiones y usando acuse de recibo (ACK) para indicar la recepción exitosa de una trama. No es tan eficiente como el CSMA/CD. Además, pueden existir problemas con nodos ocultos o bien por nodos expuestos
Capa de enlace Protocolo MACA (Multiple Access with Collision Avoidance acceso múltiple con evasión de colisión -) Técnica RTS/CTS (Request to Send/Clear to Send), que garantiza el acceso al medio a expensas de tiempos de transmisión aún más largos. Antes de transmitir el emisor envía una trama RTS indicando la longitud de datos que quiere enviar. El receptor le contesta con una trama CTS repitiendo la longitud. Al recibir el CTS, el emisor envía sus datos.
3. Tecnología inalámbrica Ondas Espectro electromagnético. Propagación de ondas electromagnéticas. Absorción Reflexión Difracción Refracción Interferencia.
Ondas Conceptos Foco. Superficie/frente de onda Velocidad de fase Parámetros Amplitud Frecuencia (Hz) Periodo Longitud de onda λ= v/f
Espectro electromagnético En redes inalámbricas
Propagación de ondas Absorción Las ondas de radio son atenuadas o debilitadas. La potencia de la onda decrece exponencialmente en el medio, correspondiendo a un decrecimiento lineal en decibelios (db) P (db) = 10 log (Pfinal/Pref) Un coeficiente de absorción (en db/m) se usa para describir el impacto del medio en la radiación, de manera cuantitativa. Reflexión y refracción El principio básico de la reflexión es que una onda se refleja con el mismo ángulo con el que impacta una superficie. La refracción es la desviación aparente de las ondas cuando encuentran un medio con composición diferente. n1 Sen θ1 = n2 Sen θ3
Propagación de ondas Difracción Basado en el hecho de que las ondas no se propagan en una sola dirección. Ocurre cuando las ondas encuentran un obstáculo en su trayectoria y divergen en muchos haces.
Propagación de ondas Interferencia Interferencias constructivas y destructivas En tecnología inalámbrica, la palabra interferencia se usa habitualmente en un sentido más amplio, como perturbación debido a otras emisiones de radio frecuencia.
4. Usos y aplicaciones Uso del espectro inalámbrico 0-200 MHz: Radio, televisión, controles inalámbricos, teléfonos inalámbricos, mandos de coches, televisiones, etc. 200 MHz- 1GHz: alarmas, implantes médicos, walkie talkies, televisión, teléfonos móviles. 1-2 GHz: GPS, telemetría médica, GPS, teléfonos móviles 2.4 GHz: banda libre radio satélite, teléfonos por satélite, hornos microondas, radares meteorológicos, WI-FI, BLUETOOTH. 2.5-5 GHz: comunicaciones por satélite (p.e, TV) 5-50 GHz: Wi-fi, radares de policía 50-300 GHz: señales a corta distancia.
5. Tecnología y matemática en la comunicación por radio Pérdida en el espacio libre (FSL) Zonas de Fresnel y visibilidad radioeléctrica. Multitrayectoria o multirruta.
Pérdida en el espacio libre La potencia de una señal de radio se atenúa en el vacío o en el aire. La pérdida de espacio libre (FSL, Free Space Loss) mide la dispersión de la potencia en un espacio libre sin obstáculo alguno. La pérdida de potencia de las ondas electromagnéticas en el espacio libre es proporcional al cuadrado de la distancia y también proporcional al cuadrado de la frecuencia. d = distancia; f = frecuencia ; si d se mide en metros, f en Hz, la fórmula queda: FSL(dB) = 20log10(d) + 20log10(f) 187,5 Si expresamos la distancia en kilómetros y la frecuencia en GHz la fórmula es: FSL(dB) = 20log10(d) + 20log10(f) + 92,4
Visibilidad radioleléctrica Zonas de Fresnel La primera zona de Fresnel, que debe mantenerse libre de obstáculos para poder transmitir la máxima potencia desde A a B. Si existen obstáculos dentro de la zona de Fresnel, éstos introducirán pérdidas de obstrucción.
Visibilidad radioleléctrica Zonas de Fresnel Para la luz visible, la visibilidad es un concepto fácil de entender y comprobar. Sin embargo, las cosas son un poco más complejas para los enlaces de radio debido a que no son visibles a nuestros ojos. En general, se necesita tener una línea visual (óptica) para un radio enlace. Adicionalmente, es necesario un poco de espacio alrededor, definido por las Zonas de Fresnel.
Multitrayectoria Multitrayectoria o multirruta. Una onda de radio puede llegar al receptor a través de múltiples trayectorias por reflexión. Los retrasos, la interferencia y la modificación parcial de las señales pueden causar problemas en la recepción. Los efectos de trayectoria múltiple no son todos malos y a veces es posible aprovecharlos para superar los límites de la línea de visión cuando se dispone de suficiente potencia. Por ejemplo, la tecnología MIMO (Multiple Input Multiple Output), aprovecha la trayectoria en el marco del estándar 802.11n. Techo Tx Suelo Obstáculo Rx
REDES INALÁMBRICAS Y SEGURIDAD EN REDES Alejandro Carrasco Muñoz Jorge Ropero Rodríguez