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Redes WLAN y WMAN: Wi-Fi y WIMAX

REDES DE ACCESO CELULAR

Redes de acceso celular - Redes WLAN y WMAN

IntroducciónLas Wireless Local Area Networks (WLANs) se construyen como extensión de las redes cableadas para proporcionar acceso inalámbrico y movilidad en un área de tamaño reducido (distancias máximas típicas de decenas de metros, dependiendo del entorno) y ofrecer conectividad en lugares en las que resulta muy complicado o costoso instalar infraestructuras de cable o en escenarios de trabajo u ocio temporales.

Estas redes se caracterizan por su facilidad de instalación, costes reducidos (bajos CAPEX y OPEX), escalabilidad y flexibilidad para adaptarse a entornos cambiantes.


Introducción

Tarjeta de red inalámbricaRealiza las funciones de módem radio.

Punto de Acceso (AP)Se conecta a la red cableada.Realiza las funciones de puente entre la red radio y la infraestructura de cable.


Wi-FiEn 1999 varias empresas crearon una organización sin ánimo de lucro con el fin de promover la adopción de un único estándar mundial para WLAN. Esta organización es la Wi-Fi Alliance.La Wi-Fi Alliance cuenta con más de 300 miembros de más de 20 países y ha certificado más de 6.000 productos, asegurando su compatibilidad e interoperabilidad.

http://www.wi-fi.org/


Los productos Wi-Fi se basan en las tecnologías denominadas 802.11 desarrolladas por el IEEE. Existen diferentes tecnologías designadas con diferentes letras. Para que un producto sea certificado, debe cumplir ciertos requisitos en cuanto a prestaciones, frecuencia y ancho de banda. Además, puede incluir funcionalidades adicionales decididas por el fabricante.

Tecnología Wi-Fi Banda frecuencial Velocidad de transmisión máxima

IEEE 802.11a 5 GHz 54 Mbps

IEEE 802.11b 2,4 GHz 11 Mbps

IEEE 802.11g 2,4 GHz 54 Mbps

IEEE 802.11n 2,4 GHz5 GHz

2,4 ó 5 GHz (seleccionable)2,4 y 5 GHz (concurrente)

600 Mbps

Los productos certificados Wi-Fi aseguran su interoperabilidad con las tecnologías de generaciones anteriores que trabajan en la misma banda de frecuencias.

Wi-Fi


IEEE 802.11Los estándares de la familia IEEE 802.11 especifican las capas MAC y física para Redes de Área Local Inalámbrica (WLAN).

802.11

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

802.11a

802.11b802.11g 802.11n

Existen además muchas otras enmiendas o correcciones (amendments) que contienen mejoras, nuevas funcionalidades, etc. del estándar desarrolladas por diferentes grupos de trabajo del IEEE:

IEEE 802.11aExtensión en la banda de 5 GHz, hasta 54 Mbps. Utiliza OFDM.

IEEE 802.11bVersión más extendida, hasta 11 Mbps en la banda de 2,4 GHz. Utiliza técnicas de espectro ensanchado por secuencia directa.

IEEE 802.11cProcedimientos de operación como bridge. Se incluyó en el estándar 802.1D en 2001.


IEEE 802.11IEEE 802.11d

Cambios en la recomendación física para extender 802.11 a países con diferentes regulaciones.

IEEE 802.11eMejora la capa MAC de 802.11 para proporcionar Calidad de Servicio.

IEEE 802.11FEs una recomendación que utiliza el protocolo IAAP (Inter-Access Point Protocol) para la compatibilidad en el traspaso entre AP’s de diferentes vendedores.

IEEE 802.11gExtensión de alta velocidad (hasta 54 Mbps) en la banda de 2,4 Ghz (compatible con IEEE 802.11b).

IEEE 802.11hSu objetivo es compatibilizar el estándar IEEE 802.11a con la regulación europea mediante la incorporación de mecanismos de gestión de la potencia de transmisión y del espectro.

IEEE 802.11iIncorpora mecanismos mejorados de seguridad y autenticación.

IEEE 802.11jSu objetivo es compatibilizar el estándar IEEE 802.11a con la regulación japonesa.


IEEE 802.11IEEE 802.11-2007

Una nueva versión del estándar que incluye las enmiendas a, b, d, e, g, h, i & j.

IEEE 802.11kIncorpora mecanismos de Radio Resource Management (Gestión de recursos radio) y define interfaces con los niveles superiores para tomar medidas.

IEEE 802.11nMejoras para mayores tasas de transmisión mediante el uso de técnicas MIMO.

IEEE 802.11pEstándar en la banda de 5,9 GHz pensado para las comunicaciones entre vehículos y entre vehículos e infraestructuras en carretera.

IEEE 802.11rTambién se conoce como Fast Basic Service Set Transition, y su principal característica es permitir a la red que establezca los protocolos de seguridad que identifican a un dispositivo en el nuevo punto de acceso antes de que abandone el actual y se pase a él. Esta función permite que la transición entre nodos sufra un retardo menor a 50 milisegundos, suficientemente corto como para mantener una comunicación vía de VoIP sin que haya cortes perceptibles.

IEEE 802.11sDefine la interoperabilidad de fabricantes en cuanto a protocolos Mesh.


IEEE 802.11IEEE 802.11T

Recomendación para medidas estandarizadas de rendimiento.

IEEE 802.11uIncorpora funcionalidades que mejoran la interoperabilidad con redes externas, por ejemplo, celulares.

IEEE 802.11vIEEE 802.11v servirá (previsto para 2010) para permitir la configuración remota de los dispositivos cliente conectados a la red inalámbrica.

IEEE 802.11wIncorporación de mecanismos de seguridad en las tramas de gestión del estándar.

IEEE 802.11yAplicación del estándar en la banda 3650 – 3700 MHz en EE.UU.

IEEE 802.11zProporciona nuevos mecanismos DLS (Direct Link Setup) para establecer comunicaciones entre dos estaciones de una red en modo infraestructura.

IEEE 802.11aaTransporte robusto de flujos de vídeo y voz.

IEEE 802.11mbMantenimiento del estándar (se espera que se convierta en IEEE 802.11-2011).


IEEE 802.11IEEE 802.11ac

Muy alto rendimiento (<6GHz).

IEEE 802.11adMuy alto rendimiento en la banda de 60 GHz.


Modos de operación IEEE 802.11Existen dos modos de operación:

• Modo infraestructura: Las estaciones (STA: Stations) se comunican con un punto de acceso (AP: Access Point) que proporciona la conectividad con la red cableada.

• Modo ad-hoc: Las estaciones se comunican directamente entre ellas sin pasar por un punto de acceso.

Punto de Acceso

Estación

Basic Service Set (BSS) Extended Service Set (ESS)

Enlaces inalámbricos

Modo infraestructura

Enlaces inalámbricos

Estación

Punto de Acceso

Sistema de distribución (DS: Distribution System) Sistema de distribución


El modo infraestructura permite dos posibles topologías:

• Basic Service Set (BSS). Existe una única célula servida por un punto de acceso.

• Extended Service Set (ESS). Se compone de varios BSS’s (cada uno con su AP) conectándolos a través de un sistema de distribución, que suele ser una red Ethernet. En esta arquitectura, las estaciones pueden desplazarse y conectarse a otro AP (roaming).

El modo ad-hoc se denomina Independent Basic Service Set (IBSS).

Modo Ad-Hoc

Modos de operación IEEE 802.11


Nivel físico IEEE 802.11Especificación original 1997. Tres posibilidades en la capa física:

• Infrarrojos.

• Espectro ensanchado por salto de frecuencia (FH) (banda de 2,4 GHz).

• Espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS) (banda de 2,4 GHz).

Ampliación IEEE 802.11a (1999).

• OFDM (en la banda de 5 GHz).

Ampliación IEEE 802.11b (1999).

• Espectro ensanchado por secuencia directa (banda de 2,4 GHz).

Ampliación IEEE 802.11g (2003).

• Banda de 2,4 GHz.

• Utilización de diferentes técnicas, 802.11b + CCK + PBCC + OFDM.

Ampliación IEEE 802.11n (2009).

• Bandas de 2,4 y 5 GHz.

• Utilización de técnicas MIMO.


Canales IEEE 802.11

Canal Frecuencia (MHz) Norteamérica Europa Japón1 2412 X X -

2 2417 X X -

3 2422 X X -

4 2427 X X -

5 2432 X X -

6 2437 X X -

7 2442 X X -

8 2447 X X -

9 2452 X X -

10 2457 X X -

11 2462 X X -

12 2467 - X -

13 2472 - X -

14 2484 - - X

Canales IEEE 802.11b/g utilizables.


Canales IEEE 802.11Los equipos 802.11b y 802.11g deben cumplir la máscara de transmisión representada en la siguiente figura.

El estándar no especifica ningún tipo de filtro transmisor específico, de forma que el ajuste de la potencia transmitida a la máscara puede realizarse a criterio del fabricante.

Los canales están separados 5 MHz, por lo que hay solapes.

Los niveles de potencia de emisión vienen regulados por la administración competente. En España se aplica la norma UN-85.

Región ITU-R Rango de frecuencias PIRE máximaEuropa 2,4000 - 2,4835 GHz 100 mW

EE.UU. y Canadá 2,4000 - 2,4735 GHz 1000 mW

Japón 2,4710 - 2,4970 GHz 10 mW/MHz


Canales IEEE 802.11Canales IEEE 802.11a utilizables:

• En Europa se permiten 19 canales de unos 20 MHz cada uno. Los canales de una banda están separados entre sí 20 MHz, por lo que el solape es mucho menor que en la banda de 2,4 GHz.

...

5180 5200 5220 5240 5260 5280 5300 5320 5500 5520 5540 5560 5580 5600 5620 5640 5660 5680 5700 MHz

En España se aplica la norma UN-128:• Banda 5150 – 5350 MHz: PIRE máxima

= 200 mW.

• Banda 5470 - 5725 MHz: PIRE máxima = 1 W siempre que se use control de potencia que permita reducir la misma al menos 3 dB. Si no, la PIRE máxima es de 500 mW.


Nivel físico IEEE 802.11Modulaciones en IEEE 802.11b:

• Para 1 Mbps se emplea DBPSK

• Para 2 Mbps se emplea DQPSK

• Para 5,5 y 11 Mbps se emplea una CCK (Complementary Code Keying) de 8 chips. Alternativamente, se puede usar PBCC (Packet Binary Convolutional Coding).

Modulaciones en IEEE 802.11a:

• Utiliza OFDM.• Permite 8 diferentes velocidades binarias de trabajo: 6, 9, 12, 18, 24,

36, 48, 54 Mbps, utilizando diversas modulaciones para las portadoras (BPSK, QPSK,16-QAM y 64-QAM) y codificación convolucional con diferentes tasas de codificación:

6 Mbps (BPSK, r = 1/2) 24 Mbps (16-QAM, r = 1/2) 9 Mbps (BPSK, r = 3/4) 36 Mbps (16-QAM, r = 3/4)

12 Mbps (QPSK, r = 1/2) 48 Mbps (64-QAM, r = 2/3) 18 Mbps (QPSK, r = 3/4) 54 Mbps (64-QAM, r = 3/4)


Nivel físico IEEE 802.11Modulaciones en IEEE 802.11g:

• DSSS: 1 y 2 Mbps.

• CCK: 5,5 y 11 Mbps.

• OFDM: 6; 9; 12; 18; 24; 36; 48 y 54 Mbps.

• PBCC: 5,5; 11; 22 y 33 Mbps.

• DSSS-OFDM: 6; 9; 12; 18; 24; 36; 48 y 54 Mbps.

Modulaciones en IEEE 802.11n:

• Se utiliza DSSS y OFDM y 32 formatos de transmisión posibles (MCS: Modulation and Coding Scheme), con diferentes combinaciones de las modulaciones BPSK, QPSK, 16-QAM y 64-QAM; las tasas de codificación de 1/2, 2/3, 3/4 y 5/6; los posibles anchos de banda de los canales 20 y 40 MHz; dos posibles intervalos de guarda: 400 y 800 ns.; y de 1 a 4 flujos de datos multiplexados en espacio (SDM: Spatial Division Multiplexing) mediante el uso de técnicas MIMO.

• De este modo, se pueden alcanzar velocidades de hasta 600 Mbps.


Nivel físico IEEE 802.11Protocolos de nivel físico

PLCP: Physical Layer Convergence Protocol

PMD: Physical Medium Dependent Sublayer

SYNC(128/56)

SFD(16)

Signal(8)

Service(8)

Length(16)

CRC(16)

MPDU(Longitud variable)

SYNC: Campo de sincronizaciónSFD: Delimitador del inicio de trama (Start Frame Delimiter)Signal: Indicador de la velocidad de transmisión y modulaciónService: 3 bits con información adicional sobre la modulación (CCK o PBCC), reloj interno y complemento del campo Length. Los 5 bits restantes están reservados para usos futuros. Length: Longitud de la MPDU: MAC Protocol Data UnitCRC: Usado para detección de errores en la trama.

Trama PLCP: PPDU (PLCP Protocol Data Unit)

PLCP

PMD SublayerPHY Layer

MAC

tamaño de los campos en bits

MPDU: MAC Protocol Data Unit


Nivel físico IEEE 802.11IEEE 802.11b

SYNC = bits de sincronismo. Todo '1s' en el formato largo y todo '0s' en el formato corto. SFD = delimitador de trama. Se transmite la palabra 0xF3A0 en el formato largo y 0x05CF en el formato corto.SIGNAL = velocidad de transmisión y, por tanto, modulación. En el formato largo toma el valor 0x0A para 1 Mbps, 0x14 para 2 Mbps, 0x37 para 6,5 Mbps y 0x6E para 11 Mbps.SERVICE = 3 bits con información adicional sobre la modulación (CCK o PBCC), reloj interno y complemento al campo LENGTH. Los 5 bits restantes están reservados.

Preámbulo144 bits

Cabecera48 bits Trama MAC

LENGTH16 bits

SERVICE8 bits

SIGNAL8 bits

SFD16 bits

SYNC128 bits

CRC16 bits

1 Mbps (192 µsec)

Preámbulo144 bits


LENGTH16 bits

SERVICE8 bits

SIGNAL8 bits

SFD16 bits

SYNC128 bits

CRC16 bits

1 Mbps (192 µsec)

Formato corto (opcional)Formato largo (obligatorio)

1 Mbps, 2 Mbps,5,5 Mbps o 11 Mbps

2 Mbps,5,5 Mbps o 11 Mbps

Preámbulo72 bits


LENGTH16 bits

SERVICE8 bits

SIGNAL8 bits

SFD16 bits

SYNC56 bits

CRC16 bits

1 Mbps(72 usec)

2 Mbps(24 usec)

Preámbulo72 bits


LENGTH16 bits

SERVICE8 bits

SIGNAL8 bits

SFD16 bits

SYNC56 bits

CRC16 bits

1 Mbps(72 usec)

2 Mbps(24 usec)



LENGTH = microsegundos (valor entero entre 16 y 216-1) requeridos para transmitir la trama MAC. Para 11 Mbps se requiere el 7º bit del campo SERVICE para evitar la ambigüedad en la correspondencia entre los microsegundos indicados y el número de octetos de la MPDU, que aparece para velocidades mayores de 8 Mbps. Por ejemplo, para transmitir 517 octetos, se necesitan 376 µs., pero también para 516 octetos se obtiene 376 µs. (redondeo por exceso de 517*8/11), por lo que en este último caso, el receptor, al observar el valor 376 µs. creerá que el número de octetos es 517 en lugar de 516. Para evitarlo, se coloca un 1 en el 7º bit del campo SERVICE, de modo que el receptor sabe que tiene que restar uno del número de octetos que determina mediante el campo LENGTH.CRC = Campo de redundancia cíclica resultado de aplicar el ITU-T CRC-16 a la cabecera PLCP (campos SIGNAL, SERVICE y LENGTH).

Preámbulo144 bits


LENGTH16 bits

SERVICE8 bits

SIGNAL8 bits

SFD16 bits

SYNC128 bits

CRC16 bits

1 Mbps (192 µsec)

Preámbulo144 bits


LENGTH16 bits

SERVICE8 bits

SIGNAL8 bits

SFD16 bits

SYNC128 bits

CRC16 bits

1 Mbps (192 µsec)

Formato corto (opcional)Formato largo (obligatorio)

1 Mbps, 2 Mbps,5,5 Mbps o 11 Mbps

2 Mbps,5,5 Mbps o 11 Mbps

Preámbulo72 bits


LENGTH16 bits

SERVICE8 bits

SIGNAL8 bits

SFD16 bits

SYNC56 bits

CRC16 bits

1 Mbps(72 usec)

2 Mbps(24 usec)

Preámbulo72 bits


LENGTH16 bits

SERVICE8 bits

SIGNAL8 bits

SFD16 bits

SYNC56 bits

CRC16 bits

1 Mbps(72 usec)

2 Mbps(24 usec)



La subcapa PLCP convierte la trama PLCP en una cadena de bits y la pasa a la subcapa PMD.

En la subcapa PMD la trama PLCP entera se somete a un proceso de aleatorización (scrambling).

El preámbulo (SYNC + SFD) se transmite siempre a 1 Mbps con una modulación DBPSK, mientras que la cabecera (SIGNAL + SERVICE + LENGTH) se transmite a 1Mbps con modulación DBPSK en el formato largo y a 2 Mbps con modulación DQPSK en el formato corto.

La trama MAC (MPDU) aleatorizada se transmite a la velocidad especificada en el campo SIGNAL. En el formato largo las velocidades pueden ser 1 Mbps (DBPSK), 2 Mbps (DQPSK), 5,5 Mbps (CCK o PBCC) y 11 Mbps (CCK o PBCC), mientras que el formato corto no contempla el uso de 1 Mbps.

Para las velocidades de 1 Mbps y 2 Mbps (ambas suponen 1 Mbaudio), la trama física completa se ensancha con una técnica DSSS utilizando un código de Barker de 11 chips (10110111000), que origina una velocidad de 11 Mchip/s.



Para las velocidades de 5,5 Mbps y 11 Mbps en la trama MAC se utiliza una modulación CCK, basada en la utilización de códigos binarios complementarios, que presentan unas buenas propiedades de correlación, y DQPSK. Para ambas velocidades se genera una señal de 11 Mchip/s, en la que, en el caso de 5,5 Mbps, por cada 4 bits de entrada se generan 8 chips complejos, mientras que para 11 Mbps por cada 8 bits de entrada se generan 8 chips complejos.

En lugar de CCK se puede utilizar de forma opcional un mecanismo de modulación PBCC, basada en la utilización de un codificador convolucional de tasa 1/2 y una modulación DBPSK para 5,5 Mbps y DQPSK para 11 Mbps.


Nivel físico IEEE 802.11IEEE 802.11a

Utiliza un nuevo formato de trama física.

Length12 bits

R1 bits

Tail6 bits

BPSKr=1/2

SIGNAL1 símbolo OFDM

Preámbulo PLCP12 símbolos

Datosnúmero variable de símbolos OFDM

Codificado en función de la tasa

Rate4 bits

Parity1 bit

Service16 bits

Tail6 bits

PadP bits

Trama MACN bits

Cabecera PLCP

- Preámbulo = 12 símbolos para sincronización. No son símbolos OFDM como los de los campos siguientes (SIGNAL y Datos), sino que se trata de 10 símbolos de entrenamiento cortos, que usan 12 subportadoras y dura cada uno 0,8 µs, y 2 largos, que utilizan 52 subportadoras y duran un total de 8 µs, y utilizan unas secuencias complejas específicas para modular las subportadoras. La duración total del preámbulo es 16 µs. Los símbolos OFDM del resto de campos duran 4 µs.



- SIGNAL. Se compone de 24 bits de información codificados en un único símbolo OFDM, modulados BPSK y protegidos con un código convolucional de tasa 1/2, resultando un total de 48 bits codificados. Se compone de los siguientes campos:

o Rate = Indica la velocidad de transmisión del campo de Datos: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 ó 54 Mbps. o R = 1 bit reservado para usos futuros. o Length = Número de octetos de la trama MAC (MPDU). Son 12 bits, por lo tanto el tamaño máximo de MPDU que es posible representar es de 4.095 octetos.o Parity = Bit de paridad de los campos anteriores de la cabecera PLCP.o Tail = 6 bits '0' para llevar al codificador convolucional al estado 0.

- Datos. El campo de datos se compone de un número variable de símbolos OFDM transmitidos a la velocidad indicada en el campo Rate. Todos los bits de este campo se aleatorizan antes de su transmisión. Se compone de cuatro campos:

o Service. Es el último campo de la cabecera PLCP. Se compone de 16 bits, de los cuales los 7 primeros son todos '0' que inicializan el aleatorizador (scrambler) y se usan para que el receptor sincronice su desaleatorizador (descrambler). Los otros 9 (todo '0s') están reservados para usos futuros. o Trama MAC (MPDU). Se compone de un número variable de bits aleatorizados. o Tail = 6 bits '0' para llevar al codificador convolucional al estado 0.o Pad= Bits de relleno que se añaden para que el número total de bits en el campo de Datos sea un múltiplo de los bits que hay en un símbolo OFDM (48, 96, 192 ó 288).



Parámetro Valor

Canalización 20 MHz

Frecuencia de muestreo FS 20 MHz

Número total de subportadoras NST 52

Número de subportadoras de datos NSD 48

Número de subportadoras piloto NSP 4

Tamaño de la FFT NFFT 64

Espaciado entre subportadoras ∆F ∆F = FS / NFFT = 0,3125 MHz

Tiempo útil del símbolo OFDM Tb 1 / ∆F = 3,2 µs

Duración del intervalo de guarda Tg Tb / 4 = 0,8 µs

Duración de un símbolo OFDM T'b = Tg + Tb 4 µs

Velocidad de símbolos 1 / T'b = 250 ksímbolos/s

Ancho de banda total Bw ≈ NST* ∆F = 16,25 MHz

En la siguiente tabla se muestran los parámetros OFDM de IEEE 802.11a



La capa física OFDM utiliza diferentes esquemas de modulación y codificación de canal que le permiten proporcionar tasas de transmisión que varían entre 6 Mbps y 54 Mbps. En todos los casos, la velocidad en baudios es de 250 kbaudios en cada una de las 48 subportadoras de datos en las que se extiende un símbolo OFDM.

Velocidad de transmisión bits de datos

(Mbps)

Modulación y tasas de

codificación (r)

Bits codificados por

subportadora

Bits codificados por símbolo OFDM

Bits de datos por símbolo

OFDM

Sensibilidad mínima (dBm)

6 BPSK, r =1/2 1 48 24 -82

9 BPSK, r =3/4 1 48 36 -81

12 QPSK, r =1/2 2 96 48 -79

18 QPSK, r =3/4 2 96 72 -77

24 16-QAM, r=1/2 4 192 96 -74

36 16-QAM, r=3/4 4 192 144 -70

48 64-QAM, r=2/3 6 288 192 -66

54 64-QAM, r=3/4 6 288 216 -65


Nivel físico IEEE 802.11IEEE 802.11g

IEEE 802.11g contiene varias especificaciones de capa física para proporcionar velocidades de transmisión superiores a IEEE 802.11b asegurando la compatibilidad hacia atrás. Estas especificaciones se referencian como ERP: Extended Rate PHY.

ERP-DSSS (1 Mbps y 2 Mbps) y ERP-CCK (5,5 Mbps y 11 Mbps) son los mismos que los descritos para IEEE 802.11b, si bien en este caso el formato de trama corto es obligatorio para conseguir una mayor eficiencia en el enlace (menor overhead de capa física). Estos modos de operación son todos obligatorios.

ERP-OFDM (6; 9; 12; 18; 24; 36; 48 y 54 Mbps). Es el modo de funcionamiento más implementado en dispositivos IEEE 802.11g. La estructura de la trama física es igual que la de IEEE 802.11a y utiliza los mismos esquemas de modulación y codificación, mismo número de subportadoras, duración del símbolo OFDM, etc. (los valores presentados para IEEE 802.11a en la tabla anterior son válidos para IEEE 802.11g). Son obligatorias las velocidades 6, 12 y 24 Mbps.


Nivel físico IEEE 802.11IEEE 802.11g

ERP-PBCC (5,5; 11; 22 y 33 Mbps). Las dos primeras velocidades son las contempladas en IEEE 802.11b con PBCC. Para conseguir 22 Mbps se introduce la modulación 8-PSK, mientras que para 33 Mbps es necesario aumentar la velocidad a 16,5 Mbaudios en lugar de los 11 Mbaudios del resto de esquemas. Es opcional y no está muy extendido su uso.

ERP-DSSS-OFDM (6; 9; 12; 18; 24; 36; 48 y 54 Mbps). Es un esquema híbrido que codifica los paquetes de datos usando las cabeceras de DSSS y modulando los datos de información con OFDM. Es opcional y su uso no está muy extendido.


Nivel MAC IEEE 802.11

Todas las tramas MAC tienen los siguientes componentes básicos:

• MAC Header. Contiene información de control de trama, duración, direcciones y control de secuencia. En el caso de tramas de datos con QoS, contiene también información de control de QoS.

• Frame Body. De longitud variable, contiene información específica del tipo y subtipo de trama. El tamaño máximo viene determinado por la longitud máxima de MSDU (MAC Service Data Unit), que es de 2.304 octetos, más 8 octetos de overhead debidos a la introducción de seguridad WEP. Por lo tanto, el tamaño máximo es de 2.312 octetos con WEP y 2.304 octetos sin WEP.

• Frame Check Sequence. Contiene un CRC de 32 bits.

No todos los campos que forman estos tres elementos aparecen en todas las tramas.

Formatos de tramas MAC


Nivel MAC IEEE 802.11Formatos de tramas MAC

Formato general

MAC Header

MPDU (máx. 2.348 bytes)

Sequence Control

Address 1 FCSFrame

controlFrame body

(max 2312 bytes)Duration/

IDAddress

2Address

3Address

4

bytes: 2 2 6 6 6 2 6 2 0 - 2.312 4 QoS

Control

Capa MAC

Capa PLCP / PMDPSDU (máx. teórico 4.095 bytes)

ServiceLengthTraining Rate Parity Tail PSDU (máx. 4.095 bytes) Tail Pad

Preamble (12 símbolos)

SIGNAL (1 símbolo OFDM) DATA (número variable de símbolos OFDM)

Trama PLCP

(PPDU)

bits: 4 1 12 1 6 16 variable 6 variable

BPSK, r = 1/2 Modulación, codificación y tasa según lo indicado en el campo SIGNAL

Reserved



Campo Frame Control.

MAC Header

Sequence Control

Address 1 FCSFrame

controlFrame body

(max 2312 bytes)Duration/

IDAddress

2Address

3Address

4

bytes: 2 2 6 6 6 2 6 2 0 - 2.312 4 QoS

Control

RetryTo DSProtocol version Type From

DSMore Frag

Protected Frame Order

bits: 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1

Subtype Pwr Mgt

More Data

b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 b10 b11 b12 b13 b14 b15

• Campo Protocol version (2 bits): Especifica la versión del estándar. Hasta el momento (IEEE Std 802.11TM-2007), solamente existe una versión, por lo que el valor de los bits de este campo siempre es 0. El resto de valores están reservados. Si en algún momento se estandariza una nueva versión que contenga incompatibilidades con las versiones anteriores, cuando se reciba una trama correspondiente a una versión superior a la que soporta el receptor, éste la descartará.




• Campo Type (2 bits): Especifica el tipo de la trama. Hay tres posibles tipos: datos, control y gestión. Las tramas de datos transportan la información de usuario, las de control transportan la información necesaria para el intercambio de las tramas de datos en una conexión y las tramas de gestión se utilizan para las funciones de conectividad, autenticación, etc.

• Campo Subtype (4 bits): Junto al tipo identifican la función de la trama. El bit más significativo de este campo (b7) se denomina subcampo de QoS. Cada posición de bit del campo Subtype se usa para indicar una modificación específica de la trama de datos básica (subtipo 0). Así, el b4 toma el valor 1 en los subtipos de la trama de datos que incluyen CF-ACK; el b5 vale 1 en los subtipos de datos que incluyen CF-Poll; el b6 vale 1 en los subtipos de datos que no contienen el campo Frame Body; y el b7 toma el valor 1 en los subtipos de datos QoS, los cuales contienen campos de control de QoS en sus cabeceras MAC.




CF = Contention Free (usado en el modo PCF)

PS = Power Save(usado en el modo PCF)

ATIM = Announcement Traffic Indication Message




• Campo To DS (1 bit): Determina si la trama tiene como destino el sistema de distribución (DS: Distribution System).

• Campo From DS (1 bit): Determina si la trama tiene como origen el sistema de distribución (DS: Distribution System).

• Campo More Fragments (1 bit): Toma el valor 1 en todas las tramas de datos o de gestión en las que existe otro fragmento para enviar de la MSDU (MAC Service Data Unit) o de la MMPDU (MAC Management Protocol Data Unit)actual. En todos los demás casos toma el valor 0.

• Campo Retry (1 bit): Indica si la trama de gestión o de datos actual es una retransmisión de una trama anterior. Permite descartar las tramas duplicadas.

• Campo Power Management (1 bit): Indica el modo de ahorro de energía de la estación. Un valor 1 indica que la estación se encuentra en modo de ahorro de energía, mientras que un valor 0 indica lo contrario. Las tramas de los APs siempre transmiten este campo con un valor 0.

• Campo More Data (1 bit): Cuando este bit se coloca a 1, la estación receptora en modo de ahorro de energía (PS) es informada de que hay datos destinados a ella en cola en el AP.




• Campo Protected Frame (1 bit): Este campo toma el valor 1 cuando el contenido del Frame Body ha sido protegido. Este bit solamente se coloca a 1 en tramas de datos y en las tramas de gestión del subtipo Autentication.

• Campo Order (1 bit): Este campo vale 1 en las tramas de datos que no sean QoS y que contenga una MSDU o un fragmento de ésta que esté siendo transmitido usando la clase de servicio StrictlyOrdered. En el resto de tramas este bit vale 0.

Campo Duration / ID. Este campo se usa de diferentes formas según la estación que accede al medio se encuentre o no en un estado de ahorro de energía, el modo de operación sea PCF y el medio se encuentre en un período libre de contienda (CFP: Contention Free Period) o se trate de una estación que accede en modo DCF.



Campos Address 1 (48 bits), Address 2 (48 bits), Address 3 (48 bits) y Address 4 (48 bits). Estos campos se usan para indicar las siguientes posibles direcciones: Basic Service Set Identification (BSSID), Source Address (SA), Destination Address (DA), Transmitting STA Address (TA), y Receiving STA Address (RA). Ciertas tramas pueden no contener algunos de estos campos de direcciones.

Campo Sequence Control (16 bits). Se compone de dos subcampos: el Número de Secuencia de la trama (12 bits) y el Número de Fragmento (4 bits). Este campo no está presente en las tramas de control.

Campo QoS Control (16 bits). Identifica la categoría de tráfico a la que pertenece la trama y otra información relativa a la QoS de la trama que varía dependiendo del tipo y subtipo de la misma. Este campo se encuentra presente en todas las tramas en las que el subcampo QoS del campo Subtype vale 1.



Campo Frame Body (número variable de bits). Contiene la información específica de los diferentes tipos y subtipos de trama. La longitud mínima es 0 octetos y la máxima viene definida por la máxima longitud de (MSDU + ICV + IV), donde el Integrity Check Value (ICV) y el Inicialitation Vector(IV) son campos relacionados con la seguridad WEP.

Campo FCS (32 bits). Contiene un CRC de 32 bits que es calculado sobre todos los campos de la cabecera MAC y del campo Frame Body.



Cada campo de direccionamiento contiene una dirección de 48 bits que puede ser de dos tipos:

• Dirección individual. Es la dirección asignada a una STA concreta de la red.

• Dirección de grupo. Es una dirección con varios destinos que puede ser usada por una o más STAs de la red. Hay dos clases de direcciones de grupo:

o Dirección de grupo multicast. Hace referencia a un grupo de STAs.

o Dirección de grupo broadcast. Hace referencia a todas las STAs de la red.

Las direcciones que se manejan en IEEE 802.11 son las siguientes:• BSSID. Identifica a cada BSS:

o Modo infraestructura. El BSSID es la dirección MAC del AP.

o Modo ad-hoc (IBSS). La STA que inicia el IBSS genera una dirección aleatoria que se utiliza como identificador del IBSS.

• DA (Destination Address). Contiene una dirección MAC individual o de grupo que identifica a la entidad o entidades MAC que son los destinatarios finales de la MSDU (o fragmento de la misma) contenida en el campo Frame Body.

Direccionamiento



• SA (Source Address). Contiene una dirección MAC individual que identifica a la entidad MAC desde la que se inició la transferencia de la MSDU (o fragmento de la misma) contenida en el campo Frame Body.

• RA (Receiving STA Address). Contiene una dirección MAC individual o de grupo que identifica a la STA o STAs que son los destinatarios inmediatamente siguientes, en el medio inalámbrico, de la MSDU (o fragmento de la misma) contenida en el campo Frame Body.

• TA (Transmitting STA Address). Contiene una dirección MAC individual que identifica a la STA que ha transmitido, en el medio inalámbrico, la MPDU (o fragmento de la misma) contenida en el campo Frame Body.

Direccionamiento

El primer campo de direccionamiento de la trama (Address 1) siempre corresponde a la dirección MAC del receptor de la trama (o receptores en el caso de multicast). El segundo (Address 2) corresponde a la dirección del transmisor de la trama. El cuarto (Address 4) sólo aparece en los WDS (Wireless Distribution System), pero el estándar no especifica cómo debe hacerse.



DireccionamientoDS

ClienteAP

SA

RATA (BSSID)

Servidor

AP

APCliente

SADATARA11Wireless DS

-DATA=SARA = BSSID01To the AP

-SATA=BSSIDRA = DA10From the AP

-BSSIDTA=SARA = DA00IBSS

Address 4Address 3Address 2Address 1From DSTo DS

Función

Wireless Distribution System

Servidor

RA (BSSID)TA

DA

SA

TA

RA

DADA

SA

TA

RA



Dependiendo del tipo de trama, algunos de los campos de la trama general no aparecen.

• ACK.

Address 1 (Rx Addr.) FCSFrame

controlDuration/

ID

bytes: 2 2 6 4

• RTS.

FCSFrame control

Duration/ ID

bytes: 2 2 6 6 4 Address 1 (Rx Addr.)

Address 2 (Tx Addr.)

• CTS.

Address 1 (Rx Addr.) FCSFrame

controlDuration/

ID

bytes: 2 2 6 4


Nivel MAC IEEE 802.11El protocolo MAC 802.11 contempla dos modos de operación o funciones de coordinación:

• Distributed Coordination Function (DCF). Está orientado a servicios asíncronos sin requisitos de calidad de servicio. Se basa en el mecanismo Carrier Sense Multiple Access - Collision Avoidance (CSMA-CA).

• Point Coordination Function (PCF). Está orientado a servicios síncronos con requisitos de calidad de servicio en cuanto a tiempo real. En este caso, un AP actúa como coordinador (Point Coordinator) y regula las transmisiones de las estaciones mediante un método de encuesta (polling). Solamente puede usarse en modo infraestructura (BSS).

La extensión IEEE 802.11e introduce mejoras en la provisión de QoS e incorpora una nueva función de coordinación:

• Hybrid Coordination Function (HCF). Define dos nuevos métodos de acceso al medio:

o Enhanced Distributed Channel Access (EDCA). Basado en contienda.

o Controlled Channel Access (HCCA). El acceso es controlado por un AP que actúa como coordinador central del resto de estaciones y se denomina HC (Hybrid Coordinator).



El protocolo CSMA-CA funciona del modo siguiente:

• Cuando una estación (portátil o AP) quiere enviar una trama, sondea antes el canal en el que opera para detectar si existe una transmisión en curso. La función de sondeo del canal se denomina Clear Channel Assessment (CCA).

• Cuando el canal está libre, la STA no transmite inmediatamente, sino que debe seguir sondeando el canal para asegurarse de que sigue libre durante un período de tiempo DIFS (DCF InterFrame Space). En ese momento puede transmitir una trama de gestión (management) o de datos con una MSDU de longitud máxima 2.034 bytes.

o Para asegurar un acceso equilibrado al canal, si una estación acaba de transmitir una trama y tiene otra lista para ser transmitida, deberá esperar un periodo aleatorio obligatoriamente.

• Si el canal está ocupado, la STA espera a que vuelva a estar libre durante un tiempo DIFS, tras el cual espera un tiempo aleatorio (proceso de backoff) y transmite (si sigue libre).

Distributed Coordination Function (DCF)



• Cuando una estación recibe correctamente una trama de datos, espera un tiempo SIFS (Short Interframe Space) y manda la confirmación pertinente (ACK). SIFS es más pequeño que DIFS para proporcionar prioridad a los envíos de los ACKs respecto a otras STAs que estuviesen a la espera de que el canal quede libre para transmitir sus tramas de datos.

• Si una estación transmite una trama y no recibe confirmación en un tiempo determinado, dará la trama por perdida, procediendo a su retransmisión. Para ello inicia de nuevo el proceso de sondeo del canal.

Distributed Coordination Function (DCF)

DIFS

Backoff DATA

SIFS

ACK

Slot time

ORIGEN

DESTINO


Nivel MAC IEEE 802.11Distributed Coordination Function (DCF)

Además de DIFS y SIFS, se definen otros dos tiempos entre tramas:• PIFS (PCF InterFrame Space): para el método PCF.• EIFS (Extended InterFrame Space): tiempo variable, mayor que DIFS,

empleado en situaciones de error.

slot

DIFSVentana de contienda

PIFS

SIFSDatos

DIFS

Datos

DIFSVentana de contienda

PIFS

Datos

DIFS

Datos

Mecanismo de back-off-

Los diferentes tiempos entre tramas se definen en función del valor de SIFS y del denominado aSlotTime o slot time, que toma el valor de 9 µs para las capas físicas basadas en OFDM (802.11a, 802.11g y 802.11n) y 20 µs para las basadas en DSSS. Para las primeras, SIFS vale 16 µs, y para las segundas, 10 µs.

A partir de estos valores, se definen:

• PIFS = SIFS + aSlotTime (25 µs para OFDM y 30 µs para DSSS) • DIFS = SIFS + 2 x aSlotTime (34 µs para OFDM y 50 µs para DSSS)



El AP usa el PIFS para conseguir el acceso al medio para enviar las balizas (beacons) o, en el modo PCF, durante un período libre de contienda, para utilizar de nuevo el medio si una trama de respuesta que se esperaba de una STA no se ha recibido.

Una STA utiliza el intervalo EIFS antes de transmitir, en lugar del DIFS, cuando detecta el medio libre tras haber recibido una trama errónea. Esto puede haber sucedido porque otras estaciones han transmitido simultáneamente por un problema de terminal oculto. Al retrasar la transmisión usando EIFS, se da prioridad a las otras STAs que usen DIFS. En cuanto se recibe una trama correcta, se vuelve a usar DIFS.

Una STA inicia un mecanismo de backoff antes de transmitir una trama siempre que encuentra el medio ocupado o cuando determina que la que había enviado anteriormente no se ha recibido y debe retransmitirla. La unidad de tiempo para determinar el tiempo de espera es el time slot, y el tiempo de espera (backoff) es un número entero aleatorio entre 0 y CW (CW: Contention Window).



STA 1

STA 2

Tx Datos a STA 2

Rx Datos de STA 1

STA 3

STA 4

Detecta canal ocupado


SIFS

DIFS

DIFS

DIFS



Back-off aleatorio

Back-off aleatorio


ACK a STA 1

SIFS < DIFS asegura que el ACK se envía antes de que las otras estaciones transmitan sus tramas

Tx Datos

EL Back-off de STA 3 es menor que el de STA 4, por lo que transmite su trama antes



STA 1

STA 2

Trama

STA 3

STA 4

demora

Trama

EL Backoff de STA 3 es el menor, de modo que transmitirá antes su trama

STA 5

Llegada de una trama a la STA para ser transmitida

demora

demora

demora

DIFSCWindow

CWindow = Ventana de contienda: Tamaño máximo del backoff

Backoff

Backoff

Backoff

DIFS

Backoff

EL Backoff restante de STA 4 es el menor, de modo que transmitirá antes su trama

Trama

DIFS

EL Backoff restante de STA 5 es el menor, de modo que transmitirá antes su trama

Trama

DIFS

Trama

CWindow

CWindow

CWindow



Para realizar el proceso de backoff, la STA genera un número aleatorio en el intervalo [0, CW]. En la primera transmisión de una trama CW =CWmin(CWmin = 15 para OFDM y 31 para DSSS). Si hay que retransmitir la trama, el valor de CW se duplica (en realidad es la siguiente potencia de 2 menos 1: 31, 63, 127, 255...) para cada retransmisión (backoff exponencial) hasta un valor CW =CWmax (CWmax = 1.023).

El protocolo CSMA/CA implementado en DCF adolece de dos problemas que disminuyen su eficiencia:

• Terminal oculto (hidden terminal): Dos terminales, que no se encuentran en cobertura el uno del otro, intentan comunicarse simultáneamente con una estación que se encuentra en la zona de cobertura de ambos.

• Terminal expuesto (exposed terminal): Un terminal no inicia una transmisión al creer que el medio está ocupado, pero podría hacerlo por estar la estación destino fuera del alcance de las que están transmitiendo.



Terminal oculto

STA 1STA 2 STA 3

STA2 tiene una trama para transmitir a STA1. El medio está libre y transmite.

Mientras STA2 está transmitiendo, STA3 tiene una trama para transmitir a STA1. Como detecta el medio libre, transmite y se produce una colisión en STA1.


Nivel MAC IEEE 802.11Distributed Coordination Function (DCF)Terminal expuesto

STA 1STA 2 STA 3

STA2 transmite a STA4. Al mismo tiempo, STA1 tiene una trama para transmitir a STA3. STA1 sondea el medio y lo encuentra ocupado, por lo que no transmite, aun pudiendo hacerlo, pues STA4 está fuera de su cobertura y no le interferiría y STA3 está fuera de cobertura de STA2, por lo que tampoco existiría interferencia (STA1 está expuesto a la transmisión de STA2).

STA 4


Nivel MAC IEEE 802.11Distributed Coordination Function (DCF)RTS/CTS

Cuando un terminal desea transmitir datos, envía una trama RTS (Ready-to-Send) al receptor de destino.

• La trama RTS contiene la indicación de la cantidad de datos que desea transmitir.

• Cualquier estación diferente a la destinataria de la trama RTS que la reciba, retrasa sus transmisiones durante un tiempo igual al que tarde la recepción de la correspondiente trama CTS.

El destinatario devuelve un paquete CTS (Clear-to-Send) si está dispuesto para recibir datos.

• La trama CTS contiene la indicación de la cantidad de datos que el transmisor original desea transmitir.

• Cualquier estación diferente a la emisora de la trama RTS que la reciba, retrasa sus transmisiones durante un tiempo igual al necesario para transmitir los datos indicados.

El terminal que había enviado la trama RTS envía los datos.


Nivel MAC IEEE 802.11Distributed Coordination Function (DCF)RTS/CTS: Solución del terminal oculto

B CA

célula de A célula de C

CTS(n)

Dato(n)

CTS(n)X RTS(n) RTS(n)

C retrasa la transmisión el tiempo correspondiente a n bytes de datos.El terminal A ya no está oculto para C.

X retrasa la transmisión durante el tiempo previstopara que el terminal que haenviado el RTS reciba elCTS

El tiempo de espera del terminal X es mucho menor que el del terminal C.

A transmite a B.


Nivel MAC IEEE 802.11Distributed Coordination Function (DCF)RTS/CTS: Solución del terminal expuesto

B CA

célula de B célula de C

D

B transmite a A

RTS(n)

CTS(n)

RTS(n)

Dato(m)

RTS(m)

CTS(m)Dato(n)

C ya no está expuesto a la transmisión de datos de B.

C retrasa la transmisión tras escuchar el RTS de B hasta que B pueda recibir el CTS de A.

Tras esto, C puede comenzar la transmisión a D. Para eso, envía primero un RTS.


Nivel MAC IEEE 802.11Distributed Coordination Function (DCF)RTS/CTS

DIFS

SIFS

ACK

Backoff

Slot time

Origen: A

Destino: B

DATOSRTS

SIFS

CTS

SIFS

NAV (CTS)

C

D

A B DC

DIFS

DIFS

Ventana de contienda

Ventana de contienda

NAV (RTS)

NAV: Network Allocation Vector. Es un temporizador que actúa como mecanismo de sensado virtual del medio. Con él, una estación controla el tiempo que resta para que el canal quede libre.


Nivel MAC IEEE 802.11Distributed Coordination Function (DCF)Fragmentación

En el nivel MAC de 802.11 se prevé la posibilidad de que el transmisor fragmente una trama para enviarla en trozos más pequeños.

Por cada fragmento se devuelve un ACK, por lo que en caso necesario es retransmitido por separado.

Si el emisor ve que las tramas no están llegando bien, puede decidir fragmentar las tramas grandes para que tengan más probabilidad de llegar al receptor.

La fragmentación permite enviar datos en canales más hostiles, aun a costa de aumentar la sobrecarga.

DIFS

SIFS

ACK0

Backoff

Slot time

RTS

SIFS

CTS

Fragmento0

SIFS

Origen: A

Destino: B

SIFS

ACK1

Fragmento1

SIFS


Nivel MAC IEEE 802.11Point Coordination Function (PCF)

El mecanismo de acceso DCF no asegura una correcta Calidad de Servicio.

El estándar define como opcional el método de acceso PCF, válido para servicios con requerimientos de tiempo real. Sin embargo, su presencia en productos comerciales es prácticamente nula.

El canal inalámbrico se “divide” en períodos de contienda y períodos libres de contienda:

• Períodos libres de contienda (CFP: Contention Free Period): el acceso al canal es controlado por una funcionalidad añadida al AP (PC: Point Coordinator). Las STAs solamente pueden transmitir cuando se las interroga (polling), y una única trama cada vez.

• Períodos de contienda (CP: Contention Period): se utiliza DCF.

Se repite alternativamente un CFP y un CP.

El inicio de un CFP lo marca el PC indicándolo en la trama beacon. Para iniciar un CFP tras un CP, el PC debe esperar a que el medio esté libre durante un tiempo PIFS para transmitir el beacon. Por eso, el tiempo entre beacons no es siempre exactamente el mismo, aunque se planifique su envío a intervalos regulares (TBTT: Target Beacon Transmission Time).


Nivel MAC IEEE 802.11Point Coordination Function (PCF)

PC

STA 1

STA 2

STA 3

PIFS


Retraso en el inicio del siguiente

CFP


PIFS

Data + CF-Poll a ST1

Data + CF-ACK

a PC

SIFS

SIFSData + CF-ACK + CF-Poll a ST2

SIFS

Nulla PC

SIFS

Beacon

SIFS

Data + CF-ACK

a PC

SIFSCF-Poll a ST3

CF-End

El beacon contiene información sobre la duración máxima del CFP con la que las STAs inicializan sus NAVs.

Beacon

Período deContienda

NAV

NAV

NAV

Periodo libre de contienda Periodo contienda

Intervalo de repetición del período libre de contienda

SIFS

Liberado CF-End

Liberado CF-End

Liberado CF-End

El envío de una trama CF-End por el PC libera los NAVs de las STAs.


Nivel MAC IEEE 802.11Sincronización y búsqueda de celda

En un BSS, el AP utiliza el beacon, enviado periódicamente cada TBTT (o lo más próximo a ese valor, dependiendo de la ocupación del medio), para que todas las STAs se sincronicen con un reloj común. En cada beacon se indica el valor del TBTT para el siguiente beacon.

Cada TBTT, el AP sondea el medio. Si está libre durante un tiempo PIFS antes del TBTT, transmite el beacon; si está ocupado, espera a que quede libre y tras un tiempo PIFS (sin backoff), transmite el beacon.

En el beacon existe un campo (Timestamp) de 64 bits que es el que actúa como reloj y utilizan las STAs para sincronizarse: Se trata de un contador módulo 264 que cuenta en incrementos de microsegundos.

Modo infraestructura (BSS)

AP canal ocupadoBeacon

TBTT_0

canal ocupado

TBTT_1

canal ocupado

PIFS

Beacon canal ocupado

TBTT_2

canal ocupado

PIFS

Beaconcanal

ocupado Beacon

TBTT_3

PIFS



En un IBSS, todas las STAs pueden enviar beacons. La primera STA que crea la IBSS determina el tiempo entre beacons. Cada TBTT, si el canal está libre durante un tiempo PIFS, cada STA inicia un proceso de backoff entre [0, CWmin], y la que genera el valor aleatorio más pequeño será la que transmitirá el beacon. El resto de estaciones, al detectarlo, cancelan sus procesos de backoff.

En el beacon la STA envía su reloj. El resto de STAs solamente modifican sus relojes si están retrasados respecto al enviado en el beacon. El efecto a largo plazo de este método es que todas las STAs de un IBSS se sincronizan con el reloj más rápido.

Modo ad-hoc (IBSS)



Antes de que una STA pueda asociarse a una red, tiene que buscarla mediante el proceso de scanning.

Hay dos métodos de scanning:

• Búsqueda pasiva: La STA monitoriza durante un cierto tiempo cada canal especificado entre los parámetros de búsqueda para detectar los beacons enviados por los APs (en BSS o ESS) u otras STAs (en IBSS) y devuelve una lista con las redes encontradas y la información extraída de los beacons.

• Búsqueda activa: La STA envía periódicamente en los canales que desee monitorizar tramas de sondeo (Probe Request) a las que las redes interrogadas (que pueden ser unas concretas especificadas en la Probeo cualquiera que esté en cobertura) responden (el AP en BSS y la STA que envío el último beacon en IBSS) con tramas Probe Response, que contienen básicamente la misma información que los beacon. De este modo se puede acelerar el proceso de asociación, lo que puede resultar especialmente útil en procesos como la implementación de handovers, aunque supone una carga de señalización adicional en el medio radioeléctrico.



Parámetros de búsqueda:• BSSType: Tipo de BSS (BSS, IBSS o ambos).

• BSSID: BSSID (dirección MAC) de búsqueda individual, broadcast, o cualquiera(wildcard BSSID).

• SSID: SSID buscado o cualquiera (wildcard SSID). El SSID (Service Set IDentifier)es el nombre de la red (identificador de hasta 32 caracteres de la LAN). Sirve paradiferenciar las WLAN entre ellas. Los puntos de acceso y las estaciones quequieran conectarse a una determinada WLAN tienen que usar el mismo SSID.

• ProbDelay: Retardo (en µs.) entre probes.

• ChannelList: Lista ordenada de canales en los que se realizará la búsqueda.

• MinChannelTime: (≥ ProbDelay). Mínimo tiempo de búsqueda en cada canal (semide en unidades de tiempo (TU: Time Unit = 1024 µs.).

• MaxChannelTime : Máximo tiempo (en TUs) de búsqueda en cada canal.

• VendorSpecificInfo: Parámetros definidos por el vendedor no estandarizados.

Una vez realizada la búsqueda, y antes de iniciar el proceso de asociación,una STA se une a una red (joining); es decir, adopta los parámetros físicos eidentificativos de la red (SSID, BSSID, tasas de transmisión, temporización,seguridad, etc.).


Servicios IEEE 802.11Autenticación (Authentication)

La autenticación en IEEE 802.11 afecta únicamente al nivel de enlace (no serealiza autenticación extremo a extremo o usuario a usuario).

Se definen dos métodos de autenticación:• Abierta (Open System Authentication): Se admite a cualquier STA.

• Basada en llave compartida (Shared Key Authentication): Se basa en WEP.

APCliente

AutenticaciónAlgoritmo: 0 (abierto)

AutenticaciónAlgoritmo: 0 (abierto)Status Code: 0 (OK)

Open System Authentication

Shared Key Authentication

APCliente

AutenticaciónAlgoritmo: 1 (llave secreta)

AutenticaciónAlgoritmo: 1 (llave secreta)Status Code: 0 (OK)Texto a cifrar (cifrado)

AutenticaciónAlgoritmo: 1 (llave secreta)Status Code: 0 (OK)Texto a cifrar (en claro)

AutenticaciónAlgoritmo: 1 (llave secreta)Status Code: 0 (OK)


Servicios IEEE 802.11Asociación (Association)

Para que una STA pueda enviar datos a través de un AP y viceversa, debeasociarse con el AP. Esto es además necesario para que el sistema dedistribución (DS) sepa a través de qué AP debe enviar los paquetes de datospara alcanzar a una determinada STA.

Una STA solamente puede estar asociada con un AP, aunque éste puedetener asociadas múltiples STAs.

Antes de solicitar la asociación, la STA debe estar autenticada.

La asociación la inicia siempre la STA enviando un trama AssociationRequest al AP. Si es admitida, el AP responde con una AssociationResponse. En estos mensajes intercambian información relativa a susrespectivas capacidades y el AP informa a la STA de los parámetrosoperativos específicos en el BSS.

APCliente

Petición de Asociación

Respuesta AsociaciónID de asociación


Servicios IEEE 802.11Reasociación (Reassociation)

Se usa cuando una STA pasa de estar asociada a un AP a estarlo a otro deel mismo ESS (itinerancia entre BSSs).

La reasociación la inicia siempre la STA enviando un trama ReassociationRequest al AP. Si es admitida, el AP responde con una ReassociationResponse.

AP2Cliente

AP1

Petición de Re-AsociaciónMi antigua AP era...

Respuesta Re-AsociaciónSoy tu nuevo APID de asociación

OpcionalTramas guardadas delantiguo AP

Envíame las tramas que tengas guardadas para el

clienteTramas guardadas

6

1

23

4 5

Confirmación deautenticación

IAPP: no estandarizado (recomendación)IEEE 802.11f


Redes WMAN

Tecnologías IEEE 802.16


Introducción

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) es una tecnologíaradio de banda ancha para redes metropolitanas basada en los estándaresdesarrollados por el grupo IEEE 802.16 y adoptados tanto por el IEEE comopor el grupo ETSI HIPERMAN.

Los desarrollos de productos que cumplen estos estándares estánpromovidos por el consorcio industrial WiMAX Forum (www.wimaxforum.org)

Los estándares IEEE 802.16 están orientados a sistemas de acceso radio debanda ancha (BWA: Broadband Wireless Access) punto a multipunto queproporcionen a los usuarios tasas de transmisión elevadas (hasta 40 Mbpspor canal) y puedan operar en condiciones NLOS (Non Line Of Sight) conradios de cobertura de varias decenas de kilómetros.

Estos estándares pueden operar en bandas con y sin licencia.


IEEE 802.16

802.16 (2002)• Bandas entre 10 – 66 GHz. Con licencia.

• LOS (Line Of Sight). Cobertura: máxima ≃ 45 km; típica ≃ 20 km.• Capa física basada en portadora única (SC: Single Carrier). Multiplexado:

TDM/TDMA.

• Tasas de transmisión: teórica < 134 Mbps; real < 70 Mbps; típica < 12 Mbps.

• Topologías PMP (Point to MultiPoint).

• Terminales fijos (no incluye movilidad).

Evolución del estándar

802.16a (2003)• Bandas entre 2 – 11 GHz. Con y sin licencia.

• LOS y NLOS en zonas urbanas. Cobertura máxima ≃ 45 km• Capas físicas basadas en SC y OFDM. Multiplexado: TDM/TDMA/OFDMA

• Tasas de transmisión < 70 Mbps; típica < 12 Mbps.

• Topologías PMP y Mesh.

• Terminales fijos (no incluye movilidad).


IEEE 802.16

802.16d (2004) – IEEE Std. 802.16-2004 (Fixed WiMAX)• Revisión y consolidación de los estándares anteriores. Alineado con ETSI

HIPERMAN.

Evolución del estándar

802.16e (2005) (Mobile WiMAX)• Extensión que permite la movilidad. Incluye handover.

• Bandas < 6 GHz. En principio, el estándar contempla su uso solamente en bandascon licencia.

• Incluye SOFDMA (Scalable SOFDMA): Posibilidad de diferentes tamaños de laFFT y diferentes canalizaciones.

802.16-2009• Revisión y consolidación de los estándares anteriores. Unifica en un sólo

documento WiMAX fijo y móvil.

802.16j-2009• Operación Multi-hop Relay.


IEEE 802.16Bandas de operación

Con licencia

3400 MHz 3420 MHz 3440 MHz 3460 MHz 3480 MHz 3500 MHz 3520 MHz 3540 MHz 3560 MHz 3580 MHz 3600 MHz

A B C D A’ B’ C’ D’

Bloque A: Clearwire España (anteriormente Banda Ancha)

Bloque B: Neo-Sky (anterioremente Abrared)

Bloque C: Iberbanda (anteriormente FirstMark Comunicaciones España)

Bloque D: ONO (anteriormente Retevisión y también AUNA)

- 3,5 GHz (banda LMDS. Adjudicación de licencias en marzo de 2000)

- 2,5 GHz. Disponible en USA. En España está en estudio su utilización parasistemas móviles de banda ancha (WiMAX Mobile, LTE).


IEEE 802.16Bandas de operación

Sin licencia

- 2,4 GHz. Es poco apropiada debido al elevado nivel de interferenciasocasionado por el gran número de dispositivos que operan en ella(IEEE 802.11b/g, Bluetooth, etc.).

- 5 GHz. Aunque las pérdidas de propagación son más elevadas, existenmenos interferencias. A pesar de ello, los sistemas que trabajen enesta banda libre están sometidos a posibles interferencias legalesimpredecibles.


IEEE 802.16Escenarios de uso

Negocios, PYMEs, Oficinas

Residencial

Backhaul de Hot Spots (islas wireless)

Acceso móvil / nómada

4

Core Network

Despliegues temporales


IEEE 802.16Red Inalámbrica metropolitana

Residentialcustomer

Repeater SMEcustomer

Multi-tenantcustomers

SOHOcustomer

Base Station

Base Station

Corenetwork

Source: Nokia Networks


IEEE 802.16Topologías: Punto a Multipunto

Repetidor

Estación base

Corenetwork


IEEE 802.16Topologías: Mesh (red mallada)

Mesh BS

Estación base

Corenetwork

Mesh BS Mesh SS

Mesh SS

Mesh SS

Mesh SS

Mesh SS

BS: Base StationSS: Subscriber Station


IEEE 802.16Estructura de capas

Service-SpecificConvergence Sublayer

Security Sublayer

Physical Sublayer Capa física

Common Part Sublayer(MAC CPS)

PHY SAP

MAC SAP

CS SAP

MAC

Ent

idad

es d

e G

estió

n

Plano de control y de datos

802.16

Redes ATM Redes de paquetes (Ethernet, VLAN, IP)


Capa física IEEE 802.16WirelessMAN-OFDM (IEEE 802.16-2004)

Modulación OFDM de 256 subportadoras (incluyendo las subportadoras dedatos, las piloto y las nulas: subportadoras de guarda y DC). De ellas seusan 200 para datos (192) y pilotos (8).

Modulaciones BPSK, QPSK, 16-QAM y 64-QAM.

Codificación FEC concatenada con códigos Reed-Solomon yconvolucionales. La utilización de turbocódigos es opcional.

Incluye diversidad en transmisión (STC: Space-Time Coding) y sistemas deantenas adaptativas (AAS: Adaptive Antenna System) como opcionales.

Soporta el modo MESH.

Permite el uso de subcanalización en el UL: Un usuario no transmite entodas las portadoras, sino en un subconjunto de ellas.

IEEE 802.16 contempla diferentes valores de canalización (1,75 MHz, 3MHz, 5 MHz, ..., 20 MHz) y dos posibilidades de multiplexado (FDD y TDD).Para asegurar la interoperabilidad de los equipos WiMAX Forum define“perfiles” que son subconjuntos de posibles combinaciones. En este caso:3,5 MHz y 7 MHz (TDD y FDD) en 3,5 GHz y 10 MHz (TDD) en 5 GHz.



Cobertura para diferentes tipos de terreno



Cobertura para diferentes tipos de terreno

1,2 km

11,6 Mb/s w. 7 MHz channel0,7 kmSuburban terrain type A (NLOS)

Throughput por sectorRadio típico de celdaEntorno

11,6 Mb/s w. 7 MHz channel




4,7 km

1,7 km

10 km

Suburban terrain type B (NLOS)

Suburban terrain type C (NLOS)

Suburban OLOS

Line of Sight

Type A: Hilly terrain with moderate-to-heavy tree densitiesType B: Intermediate path loss conditionType C: Mostly flat terrain with light tree densities

1,2 km

11,6 Mb/s w. 7 MHz channel0,7 kmSuburban terrain type A (NLOS)

Throughput por sectorRadio típico de celdaEntorno





4,7 km

1,7 km

10 km

Suburban terrain type B (NLOS)

Suburban terrain type C (NLOS)

Suburban OLOS

Line of Sight

Type A: Hilly terrain with moderate-to-heavy tree densitiesType B: Intermediate path loss conditionType C: Mostly flat terrain with light tree densities



Cobertura para modulaciones


Capa física IEEE 802.16WirelessMAN-OFDMA (IEEE 802.16-2004)

Similar a OFDM, pero con 2048 subportadoras.

Modulaciones QPSK, 16-QAM y 64-QAM.

El acceso múltiple (UL) es OFDMA: Las subportadoras están agrupadas ensubconjuntos denominados subcanales (subchannel) que pueden asignarsea diferentes usuarios (multiplexación tiempo-frecuencia). Un subcanal puedeestar formado por subportadoras contiguas o distribuidas en toda la banda(de este modo mejora la distribución de las interferencias).

Se contemplan canalizaciones de 1,25 MHz, 3,5 MHz, 7 MHz, 8,75 MHz, 14MHz, 17,5 MHz y 28 MHz en bandas con licencia y 10 MHz y 20 MHz enbandas sin licencia (5 GHz).

tiempo

frec

uenc

iaín

dice

de

subc

anal

Índice de símbolo OFDMA

0123456789

1011121314

k-2 k-1 k k+1 k+2 k+3 k+4 k+5 k+6 k+7 k+8 k+9 k+10 k+11 k+12 k+13 k+14 k+15 k+16 k+17 k+18 k+19 k+20

TX#1 TX#2

TX#3

TX#4

TX#5TX#6


Capa física IEEE 802.16WirelessMAN-OFDMA (IEEE 802.16-2004)

En las bandas con licencia se puede usar FDD y TDD. En la banda sinlicencia, solamente TDD.


Capa física IEEE 802.16IEEE 802.16e-2005

Se basa en la capa OFDMA de IEEE 802.16-2004 (en la certificación deequipos fijos no se está considerando OFDMA, por lo que esta técnica estáquedando únicamente para WiMAX Mobile).

Se usa SOFDMA, que permite variar el número de subportadoras de la FFT(128, 512, 1024 y 2048) según la canalización utilizada (1,25 MHz, 5 MHz,10 MHz y 20 MHz, respectivamente).

Se permite la subcanalización tanto en UL como en DL.

Se usan modulaciones QPSK, 16-QAM y 64-QAM, que son obligatorias en elDL. En el UL 64-QAM es opcional.

La codificación FEC se basa en códigos convolucionales (CC) y turbocódigosconvolucionales (CTC) además de códigos de repetición (1x, 2x, 4x, 6x). Esopcional el uso de turbocódigos bloque y LDPC (Low Density Parity CheckCode).

Para aumentar la capacidad y la cobertura, se introducen técnicas demodulación y codificación adaptativas (AMC: Adaptive Modulation andCoding), ARQ híbrido (HARQ) y de realimentación rápida de las medidas decalidad del enlace (CQICH: Fast Channel Feedback).



Estructura de trama TDD



Velocidades de transmisión PHY

Estas tasas de transmisión deben repartirse entre todos los usuarios de unacélula o sector y hacen referencia a la capa física (se incluyen los overheadsMAC y de capas superiores).


Bibliografía- P. Roshan, J. Leary, “802.11 Wireless LAN Fundamentals”. Ed. Cisco Press, 2003.- B.H. Walke, S. Mangold, L. Berlemann, "IEEE 802 Wireless Systems. Protocols, Multi-

hop Mesh/Relaying, Performance and Spectrum Coexistence". Ed. Wiley, 2006.- M. S. Gast, "802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide", Second Edition. Ed.

O'Reilly Media, Inc., 2005. - E. Perahia, R. Stacey, “Next Generation Wireless LANs: Throughput, Robustness, and

Reliability in 802.11n”. Ed. Cambridge University Press, 2008.- http://standards.ieee.org/getieee802/portfolio.html.

- J. G. Andrews, A. Ghosh, R. Muhamed, “Fundamentals of WiMAX : understanding broadband wireless networking”. Ed. Prentice-Hall, 2007.

- L. Nuaymi, “WiMAX Technology for Broadband Wireless Access”. Ed. Wiley, 2007.- Kwang-Cheng Chen, J. Roberto B. de Marca (editores),“Mobile WiMAX”. Ed. Wiley,

2008.- M. D. Katz, F. H. P. Fitzek (editores), “WiMAX Evolution: Emerging Technologies and

Applications”. Ed. Wiley, 2009. - http://www.wimaxforum.org/- http://standards.ieee.org/getieee802/802.16.html

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