Índice 1 Introducción... 8 2 Tecnologías inalámbricas implicadas en el Proyecto... 10 2.1 Introducción... 10 2.2 802.11: WiFi... 14 2.2.1 Capas del modelo OSI en 802.11g... 16 2.2.1.1 Capa PHY... 17 2.2.1.1.1 Especificación PHY de Tasa Expandida (ERP)... 17 2.2.1.1.2 802.11 a/g y OFDM: Multiplexado por división en frecuencia ortogonal... 18 2.2.1.1.3 Tramas PLCP de OFDM... 23 2.2.1.1.4 DSSS... 25 2.2.1.1.5 Rendimiento de radio: Sensibilidad y rechazo de canal... 28 2.2.1.2 Capa MAC... 30 2.2.1.2.1 Calidad del enlace RF... 31 2.2.1.2.2 Problema del nodo oculto... 31 2.2.1.2.3 Funciones de escucha de portadora... 35 2.2.1.2.4 Espaciamiento entre tramas... 37 2.2.1.2.5 Acceso basado en contención... 38 2.2.1.2.5.1 Recuperación de errores con DCF... 39 2.2.1.2.5.2 Demora en DCF... 39 2.2.1.2.6 Fragmentación y reensamblado... 40 2.2.1.2.7 Formato de trama de datos... 41 2.2.1.2.8 Encapsulado de protocolos de capa superior dentro de 802.11... 44 2.2.1.2.9 Servicio de datos basado en contención... 46 2.2.1.2.9.1 Datos de difusión o multidifusión o tramas de Administración... 46 2.2.1.2.9.2 Tramas unidifusión... 47 2.2.1.2.9.2.1 Acuse de recibo positivo básico (fragmento final)... 48 2.2.1.2.9.2.2 Fragmentación... 48 2.2.1.2.9.2.3 RTS/CTS... 49 2.2.1.2.9.2.4 RTS/CTS con fragmentación... 50 2.2.1.2.9.3 Secuencias de ahorro de energía... 50 2.2.1.2.9.3.1.1 Respuesta inmediata... 51 2.2.1.2.9.3.1.2 Respuesta diferida... 52 2.2.1.2.9.4 Compatibilidad con múltiples velocidades... 53 2.2.1.2.9.4.1 Selección y retroceso de tasa... 54 2.2.1.2.10 Procesamiento de tramas y creación de puentes... 54 2.2.1.2.10.1 Del medio inalámbrico al medio con cables (de 802.11 a Ethernet)... 54 2.2.1.2.10.2 Del medio con cables al medio inalámbrico (de Ethernet a 802.11)... 56 2.2.1.3 Operaciones de administración... 57 2.2.1.3.1 Arquitectura de la administración... 57 1
2.2.1.3.2 Búsqueda... 58 2.2.1.3.2.1 Búsqueda pasiva... 59 2.2.1.3.2.2 Búsqueda activa... 59 2.2.1.4 Autenticación... 60 2.2.1.4.1 Autenticación en sistema abierto... 60 2.2.1.4.2 Autenticación de clave compartida... 61 2.2.1.5 Autenticación previa... 63 2.2.1.6 Asociación... 65 2.2.1.6.1 Procedimiento de asociación... 65 2.2.1.7 Conservación de potencia... 66 2.2.1.8 Sincronización del temporizador... 67 2.2.1.9 Administración del espectro... 68 2.2.1.9.1 Control de potencia de transmisión TPC... 68 2.2.1.9.2 Selección Dinámica de Frecuencia (DFS)... 70 2.2.1.10 Seguridad en redes 802.11... 71 2.2.1.10.1 Identificador de Servicio SSID... 71 2.2.1.10.2 Filtrado de direcciones MAC... 71 2.2.1.10.3 Sistemas de cifrado y autenticación... 72 2.2.1.10.3.1 WEP... 72 2.2.1.10.3.1.1 Introducción... 72 2.2.1.10.3.1.2 Soporte criptográfico WEP... 73 2.2.1.10.3.1.3 Operaciones criptográficas WEP... 75 2.2.1.10.3.1.3.1 Procesamiento de datos en WEP... 75 2.2.1.10.3.1.3.2 Transmisión de datos WEP... 76 2.2.1.10.3.1.3.3 Longitud de clave WEP... 77 2.2.1.10.3.1.3.4 Tipos de clave WEP... 77 2.2.1.10.3.1.3.5 Encapsulado WEP... 78 2.2.1.10.3.1.4 WEP dinámico... 78 2.2.1.10.3.2 DSL... 79 2.2.1.10.3.3 Radius... 80 2.2.1.10.3.4 VPN s Inalámbricas... 80 2.2.1.10.3.5 WPA... 80 2.2.1.10.3.6 RSN... 81 2.3 802.16: WiMAX... 82 2.3.1 WiMAX: Origen y situación actual... 82 2.3.2 Estándares WiMAX... 84 2.3.2.1 IEEE 802.16... 85 2.3.2.2 IEEE 802.16a... 85 2.3.2.3 IEEE 802.16c... 85 2.3.2.4 IEEE 802.16d-2004... 86 2.3.2.5 IEEE 802.16e... 86 2
2.3.2.6 WiBRO... 86 2.3.3 Características principales de WiMAX... 89 2.3.3.1 Capa física basada en OFDM... 89 2.3.3.2 Elevadas tasas de transferencia de datos... 89 2.3.3.3 Anchos de banda escalables... 89 2.3.3.4 Modulación y codificación adaptativa (AMC)... 89 2.3.3.5 Retransmisiones en el nivel de enlace... 90 2.3.3.6 Soporte de duplexiones TDD y FDD... 90 2.3.3.7 Uso de acceso múltiple por división en frecuencia (OFDMA)... 90 2.3.3.8 Asignación de recursos flexible y dinámica... 90 2.3.3.9 Uso opcional de técnicas avanzadas de antenas... 91 2.3.3.10 Calidad de servicio (QoS)... 91 2.3.3.11 Seguridad mejorada... 91 2.3.3.12 Soporte para movilidad... 91 2.3.3.13 Arquitectura basada en IP... 92 2.3.3.14 Características opcionales... 92 2.3.3.14.1 Uso avanzado de esquemas multi-antena... 92 2.3.3.14.2 ARQ híbrido... 93 2.3.3.14.3 Reutilización mejorada de frecuencia... 94 2.3.4 Arquitectura de red... 95 2.3.4.1 Red de acceso al servicio ASN... 97 2.3.4.1.1 Estación base (BS)... 97 2.3.4.1.2 Pasarela de la red de acceso al servicio (ASN-GW)... 98 2.3.4.1.3 Red de conectividad al servicio (CSN)... 98 2.3.5 Capas del modelo de red WiMAX... 99 2.3.5.1 Capa física... 99 2.3.5.1.1 Nociones básicas de acceso al medio físico... 99 2.3.5.1.2 Ventajas y desventajas de OFDM... 100 2.3.5.1.3 Parámetros OFDM en WiMAX fijo... 102 2.3.5.1.4 Parámetros OFDM en WiMAX móvil... 102 2.3.5.1.5 Subcanalización... 103 2.3.5.1.6 Estructura de trama... 104 2.3.5.1.7 Modulación adaptativa y codificación en WiMAX... 106 2.3.5.1.8 Tasas de datos en la capa física... 107 2.3.5.2 Capa de acceso al medio MAC... 108 2.3.5.2.1 Mecanismos de acceso al canal... 110 2.3.5.2.2 Calidad de servicio QoS... 110 2.3.5.2.3 Ahorro de energía en WiMAX móvil... 112 2.3.5.2.4 Tipos de movilidad soportados... 113 2.3.5.2.5 Funciones de seguridad... 115 2.4 Normativa del espectro radioeléctrico... 117 3
2.4.1 Bandas de frecuencias disponibles... 117 2.4.2 Restricciones en cada banda de frecuencia... 118 2.4.2.1 Restricciones en la banda no licenciada de 5 GHz... 118 2.4.2.2 Restricciones en la banda licenciada de 3,5 GHz... 119 2.4.2.3 Restricciones en la banda no licenciada de 2,4 GHz... 120 3 Objeto del Proyecto... 121 3.1 Análisis de necesidades... 121 3.1.1 Situación actual... 121 3.1.2 Situación deseada... 122 3.1.3 Solución llevada a cabo... 122 3.2 Diseño de la red... 124 3.2.1 Topología de red seleccionada... 124 3.2.2 Esquema de conexionado del equipamiento... 125 3.2.2.1 Equipamiento Estación Base... 125 3.2.2.2 Equipamiento edificios... 137 3.3 Cálculos... 140 3.3.1 Cálculo del caudal necesario... 140 3.3.2 Cálculos de los distintos vanos... 143 3.3.2.1 Vano entre el operador y la estación base... 143 3.3.2.2 Vano entre la estación base y las antenas de los edificios... 149 3.3.3 Cálculos de direcciones IP... 152 3.4 Implementación física... 154 3.4.1 Mediciones previas... 154 3.4.2 Instalación de la torre del club social.... 155 3.4.3 Instalación del gestor de tráfico Comms Mundi... 158 3.4.4 Instalaciones de los edificios... 159 3.4.5 Puesta en funcionamiento de la red WiFi... 161 3.5 Posibles mejoras... 161 3.6 Presupuesto... 163 4 Conclusiones... 164 4
Índice de ilustraciones: Ilustración 1: Alcance del proyecto... 8 Ilustración 2: Separación de costes de una red radio... 15 Ilustración 3: Familia IEEE 802 y su relación con el modelo OSI... 16 Ilustración 4: Ortogonalidad en el dominio de la frecuencia... 18 Ilustración 5: Prefijo cíclico... 19 Ilustración 6: Constelación 64-QAM... 20 Ilustración 7: Estructura de un canal OFDM... 21 Ilustración 8: Máscara de espectro de tránsito para 802.11.a/g... 22 Ilustración 9: Bandas operativas en EEUU... 22 Ilustración 10: Trama PLCP de OFDM... 23 Ilustración 11: Campo Señal de la trama PCLP de OFDM... 24 Ilustración 12: Reducción de la potencia en DSSS... 26 Ilustración 13: Canales con DSSS... 27 Ilustración 14: Transmisión y recepción con DSSS... 27 Ilustración 15: Diagrama de bloques de un sistema OFDM... 28 Ilustración 16: Nodos 1 y 3 ocultos... 31 Ilustración 17: Procedimiento RTS/CTS(1)... 32 Ilustración 18: Procedimiento RTS/CTS (2)... 33 Ilustración 19: Procedimiento RTS/CTS (3)... 33 Ilustración 20: Funciones de coordinación MAC... 35 Ilustración 21: Uso de NAV para la escucha de portadora virtual... 36 Ilustración 22: Espaciamiento Interframe... 37 Ilustración 23: Distintos tamaños de la ventana de contención... 40 Ilustración 24: Ciclo de fragmentación... 40 Ilustración 25: Trama de datos genérica MAC 802.11... 41 Ilustración 26: Parte de control... 41 Ilustración 27: Encapsulado IP en 802.11... 45 Ilustración 28: Intercambio atómico de tramas de Datos de difusión /multidifusión y administración de difusión... 47 Ilustración 29: Acuse de recibo de datos positivo básico... 48 Ilustración 30: Fragmentación... 49 Ilustración 31: Bloqueo RTS/CTS... 50 Ilustración 32: RTS/CTS con fragmentación... 50 Ilustración 33: Respuesta PS-Poll inmediata... 51 Ilustración 34: Respuesta PS-Poll inmediata con fragmentación... 51 Ilustración 35: Ejemplo de respuesta PS-Poll diferida... 52 Ilustración 36: Relación entre las entidades de administración y los componentes de la especificación 802.11... 57 Ilustración 37: Escaneado pasivo... 59 Ilustración 38: Escaneado activos y acceso al medio... 59 Ilustración 39: Intercambio de autenticación en sistema abierto... 60 Ilustración 40: Intercambio de autenticación de clave compartida... 61 Ilustración 41: Fracaso de la autenticación de clave compartida... 62 Ilustración 42: Ahorro de tiempo en la autenticación previa.... 63 Ilustración 43: Procedimiento de asociación... 65 Ilustración 44: Coincidencia del cronómetro local con el de la red... 68 Ilustración 45: Interferencia de la potencia alta de un cliente con múltiples puntos de acceso... 69 Ilustración 46: Operación del cifrado de flujo genérico... 73 Ilustración 47: Funcionamiento del código de flujo cifrado... 74 Ilustración 48: Operaciones WEP... 75 Ilustración 49: Extensiones de la clave WEP... 78 Ilustración 50: Estándares para redes inalámbricas... 84 Ilustración 51: Arquitectura de Red característica de un sistema WiMAX basada en IP... 95 5
Ilustración 52: Puntos de referencia entre entidades funcionales de un sistema WiMAX... 97 Ilustración 53: Torre de protocolos 802.11 y capa PHY y MAC 802.16... 99 Ilustración 54: Estructura de trama característica de la capa física WiMAX... 105 Ilustración 55: Posibles MPDU s en WiMAX... 109 Ilustración 56: Cobertura ADSL de la ubicación... 121 Ilustración 57: Estructura de la red inalámbrica... 123 Ilustración 58: Topología de red... 124 Ilustración 59: BreezeNET B100 de Alvarion... 126 Ilustración 60: Comportamiento del caudal de subida/bajada funcionando con BW=40MHz [9]... 126 Ilustración 61: Esquema vano operador-urbanización... 127 Ilustración 62: Patrón de radiación antenas BS... 130 Ilustración 63: CAT5... 131 Ilustración 64: BS-5432 de Repeatit... 131 Ilustración 65: Gestor Comms Mundi... 133 Ilustración 66: Ejemplo de uso de Comms Mundi... 135 Ilustración 67: Torre de 11,5m modelo 180... 136 Ilustración 68: Anclajes torre modelo 180... 137 Ilustración 69: Acceso edificios... 137 Ilustración 70: Antena SU5411 Repeatit... 138 Ilustración 71: Mástil modelo 3009 de Televés... 139 Ilustración 72: Terminal VoIP marca ATCOM... 139 Ilustración 73: Funcionamiento VoIP... 141 Ilustración 74: Caudal VoIP... 141 Ilustración 75: Cobertura del operador... 143 Ilustración 76: Cálculo de la distancia entre operador y la urbanización... 144 Ilustración 77: Características radioenlace... 145 Ilustración 78: Características Antenas... 146 Ilustración 79: Patrón Radiación Operador... 146 Ilustración 80: Patrón Radiación Cliente... 147 Ilustración 81: Perfil del terreno entre operador y cliente... 147 Ilustración 82: Perfil del terreno entre cliente y operador... 148 Ilustración 83: Esquema de ubicación... 149 Ilustración 84: Configuración Estación Base... 150 Ilustración 85: Configuración CPE... 151 Ilustración 86: Disposición Antenas WiFi en Radio Mobile... 151 Ilustración 87: Programa Advanced Address Calculator v1.1... 152 Ilustración 88: Diagrama Gantt Instalación... 154 Ilustración 89: Software Comms Mundi... 158 Ilustración 90: Esquema conexionado de cada hogar... 160 Ilustración 91: Cámara Video-vigilancia IP WiFi... 161 Ilustración 92: Ejemplo de domótica... 162 6
Índice de tablas: Tabla 1: Modulación y tasa de transmisión... 18 Tabla 2: Modulaciones QAM... 20 Tabla 3: Bits de velocidad... 24 Tabla 4: Requerimientos de rendimiento del receptor... 28 Tabla 5: Cronología de la figura 38... 64 Tabla 6: Principales características de tecnologías actuales de telecomunicaciones... 83 Tabla 7: Perfiles de certificación WiMAX fijo... 87 Tabla 8: Perfiles de certificación WiMAX Móvil... 88 Tabla 9: Valores característicos de los parámetros más importantes de WiMAX fijo y móvil... 103 Tabla 10: Opciones disponibles de modulación y codificación en los enlaces ascendente y descendente... 107 Tabla 11: Tasas de transferencia obtenidas para las diversas combinaciones posibles de ancho de banda de canal, codificación y modulación para WiMAX fijo y móvil... 108 Tabla 12: Características Estación Base 5432 de Repeatit... 132 Tabla 13: Especificaciones SU5411... 138 Tabla 14: Distancias entre antenas WiFi... 149 Tabla 15: Asignación de direcciones IP por subredes... 152 Tabla 16: Dirección BS y máscara de subred... 153 Tabla 17: Parámetros orientación antenas WiFi... 159 7