Tecnologías de soporte: IEEE...

SIMULACIÓN DE PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTOPARA REDES MÓVILES AD-HOC MEDIANTE

HERRRAMIENTA DE SIMULACIÓN NS-3

Tecnologías de soporte: IEEE 802.11

Outline

1. Características del IEEE802.11

2. Capa física

3. Capa de Acceso al Medio (MAC)

4. Capa de gestión MAC

5. Movilidad

Loja - 2014Simulación de Protocolos de Enrutamiento para MANET con ns-3

2

6. Seguridad

7. QoS

8. Ejemplos de dispositivos reales

Introducción: la ubicuidad de WLAN

SemiSemi--public WLANpublic WLANCorporate WLANCorporate WLAN


3

� El usuario requiere acceso a Internet desde cualquier lugar.� WLAN provee de un acceso de banda ancha a Internet desde

cualquier sitio.� Acceso público a través de Hot-spots.� IEEE802.11b (WiFi): sencillo, barato y rápido.

Home WLANHome WLANPublic WLANPublic WLAN

Arquitectura básica de red Internet con acceso inalámbrico

WLAN Acces

Local Distribution NetworkInternet


4

Netscape

http

tcp

ip

802.2

802.11

802.2

802.11 802.3

Apache

http

tcp

ip

802.2

802.3

ip

802.2 802.2

802.3 802.3

Client Access Point Access Router ServerIEEE 802.11

Características de una arquitectura inalámbrica

� El medio de transmisión: canal radio• Interferencias y ruido.• Las características del medio varían sobre el espacio y tiempo.• Medio compartido con dispositivos 802.11 no deseados.• Medio compartido con dispositivos no 802.11 (hornos

microondas,..)� Movilidad

• Variación de la fiabilidad del enlace.• Uso de las baterias, requiere gestión del consumo.


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• Uso de las baterias, requiere gestión del consumo.• El usuario requiere de continuidad en la conexión.

� Puede no existir conectividad total (estación oculta).� Seguridad

• No existen fronteras físicas.• Solapamientos de LANs.

� Internacionalmente existen distintas regulaciones.

Asignación del espectro

� Bandas de Industria, Ciencia y Medicina, ISM (Industrial, Scientific and Medical).• Espectro sin licencia.


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• Bajo ancho de banda

• Com. celulares

• Interferencia de hornos microondas

• IEEE 802.11b, IEEE 802.11g

• HIPERLAN

• IEEE 802.11ª

IEEE802.11: configuración ad hoc

� Independiente• Una BSS (Basic Service Set)• Red “Ad hoc”.• Comunicación directa.• Area de cobertura limitada.


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Peer to Peer Network

� Infraestructura• Puntos de acceso (AP) y estaciones.• El sistema de distribución interconecta multiples BSS para

formar una única red.o Extiende el área de cobertura ESS (Extended Service Set)o Permite roaming.

• El sistema de distribución no está estandarizado, pero si los servicios que proporciona.

IEEE802.11: configuración infraestructura


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servicios que proporciona.

DISTRIBUTION SYSTEM

BSS-A BSS-B

AP-A AP-B

SERVER

Estandarización de WLAN

IEEE ETSI

IEEE 802.11HiperLAN2

802.11e: QoS Enhacenments

802.11i: Security Enhancenments


98 8

802.11 a5 GHz54Mbit/s

802.11 g2.4 GHz54Mbit/s

802.11 b2.4 GHz11Mbit/s

2.4 GHz2 Mbit/s

5 GHz54Mbit/s

Arquitectura del protocolo 802.11

� Station Management• Interactúa con las capas de gestión de MAC y PHY.

� MAC Layer Management• Gestión de consumo• Traspaso• MAC MIB

� MAC• Acceso al medio•

MAC Sublayer

MAC LayerManagement

PLCP Sublayer

PHY LayerManagement

LLC =802.2

MAC

PHYStation


• Fragmentación• Encriptación

� PHY Layer Management• Sintonizar el canal• PHY MIB

� PLCP (Physical Layer Convergence Protocol)• Detección de portadora Clear Channel Assessment (CCA)• Generar la trama PLCP

� PMD• Modulación y codificación.

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PMD Sublayer

StationManagement

Capa física IEEE 802.11

Capa física (PMD): tipos I

� Banda base Infrarrojos (IR).• 1 y 2 Mbps, 16-PPM y 4-PPM (Pulse Position Modulation).

� Frequency Hopping Spread Spectrum• Utiliza una de las 75 frecuencias. Cada 400ms salta a un

nuevo canal. • 2,4GHz, 1 y 2 Mbps.

o 2/4 FSK con 1/2Mbps.o 2,5 hops/s sobre 79 canales. (USA)


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� Direct Sequence Spread Spectrum• Utiliza 1 de los 11 canales solapados• 2,4GHz, 1 y 2 Mbps.

o DBPSK, DQPSK.o Ensanchamiento con 11 Bit Barker Code.

• 2,4GHz, 5,5 y 11Mbps. (802.11b)o CCK(Complementary Code Keying)/DQPSK

Capa física (PMD): tipos II

� 5 GHz OFDM (802.11a)

• Puede soportar velocidades: 54, 48, 36, 24, 12 y 6 Mbps• Puede reducir la velocidad para alcanzar mayor cobertura.• Parámetros idénticos a HiperLAN2 PHY• La banda de 5GHz tiene más canales y menos interferencias


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� 2,4 GHz OFDM (802.11g)

• Ratificado en junio 2003.• Modulación OFDM y codificación PBCC.• Compatible con 802.11b• Nuevas velocidades soportadas: 6,9,12,18,24,36,48 y 54.

Frequency Hopping Spread Spectrum

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Time

Frequency

Am

plitu

de


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� Banda 2,4GHz con un ancho de banda de 83,5MHz.� Banda dividida en al menos 75 canales.� Cada canal tiene un ancho de banda aproximadamente 1MHz.� El transmisor y receptor saltan al unísono entre los canales de

una forma pseudo aleatoria.

10 11 12Time

Direct Sequence Spread Spectrum


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WLAN-IEEE802.11tutorial (Maximilian Riegel)

Canales del 802.11

http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11


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� El estándar define 14 canales.• Para evitar interferencias se recomienda el uso de los

canales 1, 6 y 11.• En España, se utilizaba solamente 10 y 11• En USA, se utiliza los 11 primeros.

OFDM


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Capa física (PLCP): Physical Layer Convergence Protocol Trama

SYN SFD SIGNAL SERVICE LENGTH CRC

128 16 8 8 16 16

Scrambled Ones

PLCP Preamble PLCP Header PSDU

192 µs1 DBPSK


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� SYNC (ajuste de ganancia, detección de energia, selección de antena, compensación del offset de frecuencia)

� SFD (Start Frame Delimiter, sincronización de bit)� SIGNAL (velocidad: 1, 2, 5.5,11 Mbps)� SERVICE (reservados)� LENGTH (número de octetos de PSDU)� CRC (CCITT CRC-16, proteje SIGNAL, SERVICE y LENGTH)

PPDU1 DBPSK2 DQPSK5.5 OR 11Mbps

Capa MAC IEEE 802.11

Capa de Acceso al Medio: funcionalidades

� Procedimientos de acceso al canal.� Direccionamiento de las PDUs.� Formato de trama.� Control de errores, fragmentación y ensamblado de la MAC

MSU (MSDU).• Fragmentación dependiento de los diferentes PHY.

� Servicios de asociación a un AP y de traspaso.


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�

� Funciones para la gestión de consumo de energía de las estaciones.

� Servicios de autentificación y privacidad.

Procedimientos de acceso al canal

� Las funciones de coordinación determinan cuando una estación puede transmitir y recibir.

� Uso de la Función de Coordinación Distribuida (DCF) paracompartir el medio de modo “best effort”.• CSMA/CA• El PHY se encarga de la detección del medio libre.


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� Uso de la Función de Coordinación Puntual (PCF) paratransmisión síncrona.• Sondeo

CSMA/CA

Busy Medium Next FrameSIFS

PIFSDIFS

Backoff-Window

Contention Window

DIFS: Distribuited Interframe SpacePIFS: PCF Interframe SpaceSIFS: Short Interframe Space


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� Las estaciones esperan a que el medio este libre.� Si esta ocupado, seleccionan un tiempo aleatorio antes de

transmitir para evitar colisiones.� Se utiliza un algoritmo de backoff exponencial (se incrementa si

hay retransmisiones)• CWnew =min(CWmax,,CW*2); CWnew =CWmin

SIFS: Short Interframe Space

CSMA/CA + ACK protocol

Busy Medium Data

DIFS

Backoff-Window

Destination

ACK

Next Frame

SIFS

BackoffWindow

DIFS

Busy Medium

DIFS

Data

Source

Contention Window


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� Si el medio está libre durante DIFS, entonces transmisión, si no se pospone y se inicia el proceso de backoff.

� El receptor envia el ACK si la trama es correcta.� Si no se recibe el ACK, se retransmite la trama después de un

tiempo aleatorio.

Window

Defer AccessOther

Ejemplo de Función de Coordinación Distribuida (DCF)

Data

Destination

ACKSIFSSource

Busy Medium Backoff-Window

DIFS Contention WindowDIFS

Busy Busy Medium


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BackoffWindowBusy Medium

DIFS

Data

Station 1

Station 2

Busy

DIFS

Problema de la Estación Oculta

� Problema de la estación oculta: las estaciones dentro de unamisma WLAN no se “escuchan” entre si.

� Uso de tramas de control RTS/CTS con un campo de duración. (opcional)

RTS RangeCTS Range

Station B Station A


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Data

AP

ACKStation A

Busy Medium based on CTS Backoff-Window

Station B

B cannot detect carrier from A

Data

RTS

CTS

Función de Coordinación Puntual (PCF)

AP

Stations

D1 + PollBeacon D2 + Poll

U1 + ACK U2 + ACK

CF END

CFP repetition interval

Contention free period Contentionperiod


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� Se define una estructura supertrama donde se alternan periodos PCF (sin contención) con DCF (con contención) que controla el AP.

� Durante el PCF, el AP escruta a las estaciones.� Network Allocation Vector (NAV) indica la duración del periodo de PCF.� PCF permite tráfico con requerimientos de calidad de servicio.

Stations

Formato de Trama

� Campo de control 16 bits:� Versión del protocolo 802.11� Tipo de trama: gestión, control o datos.

Bytes: 2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4

Frame Control

Duration ID

Addr 1 Addr 2 Addr 3 Seq.Control

Addr 4 Frame Body CRC

Bits: 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1

ProtocolVersion

Type SubType

To DS From DS

MoreFrag

PwrMgt

MoreData

WEP Rsvd

802.11 MAC Header


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� Tipo de trama: gestión, control o datos.� Subtipo dentro del tipo de trama: ACK (control), Solicitud de asociación

(gestión).� Hacia DS (1 si la trama va hacia el sistema de distribución).� De DS (1 si las tramas salen del sistema de distribución).� Más fragmentos, 1 en aquellas tramas a las que siguen más fragmentos de la

MSDU actual.� Reintentar, retransmisiones de una previa.� Control de potencia, indica el modo de potencia de una estación.� Más datos se pone a 1 para indicar a una estación en modo bajo consumo que

se encuentran almacenados en el AP más MSDU para ella.� WEP (Wired Equivalent Privacy) es 1 si el cuerpo de trama contiene información

que ha sido procesada por el algoritmo criptográfico.

Campo de direcciones

Hacia DS DesdeDS

Direcció 1 Dirección2 Dirección3 Dirección4 Significado

0 0 Dirección Destino

Dirección Origen

ID BSS N/A Trama de datos entre estaciones del mismo BSS

0 1 Dirección Destino

ID BSS Dirección Origen

N/A Trama de datos de salida del DS


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1 0 ID BSS Dirección Origen

Dirección Destino

N/A Trama de datos de dirigida al DS

1 1 Dirección del receptor

Dirección del emisor

Dirección Destino

Dirección Origen

Trama WDS distribuida de AP a AP

� WDS (Wireless Distribution System)

� BBS (Basic Service Set)

Gestión de la Capa MAC IEEE 802.11

Capa de Gestión MAC

� La capa de gestión MAC es responsable: • Generación de Beacon

• Función de sincronización• Función de búsqueda (scanning)• Gestión del consumo de potencia


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Generación del Beacon

Beacon Interval

Beacon


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� Se utilizan para mantener el sincronismo de la red, para la gestión del consumo y el traspaso.

� El AP es el encargado de generar y enviar los beacons de forma periódica.

� Se puede postponer el envío de un beacon si el medio estáocupado (CSMA).

� El beacon contiene el instante en que fue enviado.

Timing Synchronization Function (TSF)

� Las estaciones mantiene un reloj local.• Utilizado para la gestión del consumo.• Utilizado para determinar cuando comienza el periodo DCF.

� El AP controla la sincronización en las redes de infraestructura.

� Los relojes de todas las estaciones están sincronizados.� Los beacon se utilizan para calibrar los relojes locales de las

estaciones.


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estaciones.� No es necesario “escuchar” todos los beacon para

permanecer sincronizado.

Consideraciones para la gestión de consumo de potencia

� Los dispositivos móviles tienen baterias. Por lo tanto un uso eficiente es importante para la movilidad.

� Los protocolos LAN cableadas suponen que las estaciones siempre están listas para recibir.

� Protocolo de gestión de consumo del 802.11:• Permite que el transceptor este en estado de ahorro de

energia (modo sleep) todo el tiempo posible.• Transparente a los protocolos existentes.


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• Transparente a los protocolos existentes.• Flexible para soportar diferentes aplicaciones. (Es capaz de

compensar caudal por consumo).

Protocolo de Gestión de Consumo

� Las estaciones inactivas (idle) ivernan.• El AP conoce que estaciones están en este estado.

� El AP almacena las tramas de las estaciones que ivernan.• AP anuncia que estaciones tienen tramas almacenadas.• Traffic Indication Map (TIM) se envía con cada beacon.

� Las estaciones que ivernan se despiertan periodicamente y escuchan los beacons.

� TSF asegura que el AP y las estaciones en estado de ahorro


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� TSF asegura que el AP y las estaciones en estado de ahorro de energia están sincronizadas.• Las estaciones se despiertan a escuchar el beacon.• El reloj local no se para.

� BSS Independiente también tiene un procedimiento para la gestión del consumo de energia. (Distribuido)

Procedimiento para la gestión de consumo de potencia

TIM Interval DTIM Interval

Broadcast Broadcast

Station

AP

Weak up periodPoll and Tx Operation

Weak up period


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� Las estaciones se deben despertar antes de un DTIM (Delivery Traffic Indication Message).

� Si TIM indica que hay tramas almacenadas: la estación enviaPS-Poll y permanece activa para recibir los datos.

� Si no hay tramas almacenadas, la estación vuelve a ivernación.� Las tramas broadcast también se almacenan en el AP.

Poll and Tx Operation

Scanning (proceso de búsqueda)

� El proceso de búsqueda (scanning) es un procedimiento que se requiere para:• Encontrar y unirse a una red.• En el proceso de traspaso, para encontrar a un nuevo AP.• Inicializar un BSS independiente (red ad hoc).

� Scanning Pasivo• La estación descubre nuevas redes escuchando beacons.

� Scanning Activo


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� Scanning Activo• Para cada canal, la estación envía una trama de control Probe

y espera por un Probe Response.

� Tanto los beacon como los Probe Response contienen la información necesaria para unirse a la red.

Ejemplo de Scanning Activo

� La conexión inicial a un AP o la reassociación siguen el mismoproceso.

� Pasos a seguir en la asociación:• La estación envia Probe.

• APs envía Probe Response.

• La estación selecciona el mejor AP.• La estación envía Association Request al AP seleccionado.• AP envía Association Response.


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Movilidad

� La estación decide que el enlace hacia su AP es de bajacalidad y utilizará la función de scanning para encontrarotro AP.

station 6station 5station 3


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station 2 station 1

station 7

station 6station 5

station 4

station 3

Procedimiento de traspaso

� La estación enviará una trama de Request Reassociation al nuevo AP.

� Si el nuevo AP acepta:• Envía una Reassociation Response.• La estación se enlazará al nuevo AP.

o Puede comenzar el scan para otro nuevo AP.• AP indica Reassociation al sistema de distribución.• Al viejo AP se le notifica por medio del sistema de distribución.


39

• Al viejo AP se le notifica por medio del sistema de distribución.

station 2 station 1

station 7

station 6station 5

station 4

station 3

Seguridad IEEE 802.11

Seguridad

� Se puede “pinchar” y ver todos los paquetes de la WLAN.• Información valiosa: números de tarjetas de crédito para

verficación.

� Cualquiera en el área de cobertura del AP puede acceder a la red.

� WEP (Wired Equivalent Privacy) 1997.

• 802.11• Opcional


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• Opcional• Mecanismo de encriptación entre el cliente y el AP.• Sin la clave de encriptación, el usuario no puede tx ni rx.

WEP

Seguridad: WEP

� Provee un mecanismo de autenticación:• Para el control del acceso.• Puede utilizar el sistema Abierto o mediante clave compartida.

� WEP:• Cifrado de la información.• Usa el algoritmo RC4 basado en una clave de 64 bits (40 de

clave secreta, 24 del vector de iniciación IV).• Solamente el campo de datos es encriptado.


42

• Solamente el campo de datos es encriptado.

� WEP es un protocolo muy vulnerable:• Cortos IV y claves WEP estáticas.

o En redes con mucho tráfico, la reutilización puede ocurrir cada hora y se pueden extraer esos IV.

o Las claves WEP son estáticas, por lo que administradores de las WLAN utilizan la misma clave durante mucho tiempo.

WPA (WiFi Protected Access)

� WPA adopta la autenticación de usuarios mediante el uso de un servidor, donde se almacenan credenciales y contraseñas.

� WPA permite la autenticación mediante clave compartida.• PSK (Pre-Shared Key) similar al WEP.

� Cifrado RC4.• Clave de 128 bits y IV (vector de inicialización) de 48 bits.

� TKIP (Protocolo de Integridad de Clave temporal)


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� TKIP (Protocolo de Integridad de Clave temporal)• Cambia claves dinámicamente a medida que el sistema es

utilizado.� MIC (Integridad del mensaje)

• La comprobación de redundancia cíclica utilizado en WEP es inseguro, ya que es posible alterar la información y actualizar el CRC sin conocer la clave WEP.

� Compatible con las tarjetas de red inalámbricas.

802.11i

� 2004� Mejora del proceso de autenticación� Message Integrity Check (MIC)� Nuevas claves de encriptación (TKIP)� Nuevo algoritmo de encriptación AES

• Necesidad de hardware dedicado para la encriptación/desencriptación.


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o Actualización de equipos WLAN.

� WPA2

QoS

IEEE 802.11eIEEE 802.11e

Limitaciones en QoS IEEE 802.11

� IEEE 802.11 diseñado con dos modos de operación DCF y PCF.

� DCF (Distributed Coordination Funtion)

• Solo soporta servicios best-effort.• No soporta ningún tipo de prioridad para el acceso al medio.• No hay garantía de ancho de banda, retardo o variación del

retardo.• Degradación del caudal en condiciones de alta carga.


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• Degradación del caudal en condiciones de alta carga.

� PCF (Point Coordination Function).

• Soporta tráficos de tiempo real.• El tiempo de transmisión de las estaciones escrutadas es

impredecible.• Tiempo de transmisión del beacon también es impredecible.

� DCF y PCF no diferencian entre tipos de tráfico o de fuentes.

El estándar IEEE 802.11e

� El grupo de trabajo Task Group E se forma en 2001. En Julio de 2005 se aprueba IEEE 802.11e.

� IEEE 802.11e extiende el dominio de aplicación del 802.11 permitiendo servicios con requerimientos de QoS.

� Compatible con 802.11.


47

� Terminología IEEE 802.11e:• AP con soporte QoS -> QAP (Quality AP)

• Point Coordinator -> HC (Hybrid Coordinator)

• BSS con QoS -> QBSS

El estándar IEEE 802.11e

� Nuevo mecanismo QoS: HCF (Hybrid Coordination Function)

• EDCA (Enhanced Distributed Channel Access)

• HCCA (Hybrid Coordination Function Controlled Channel Access)

• EDCA y HCCA definen categorías de tráfico.o Tráfico de baja prioridad: correo electrónico.

o Tráfico de alta prioridad: Voice over Wireless LAN (VoWLAN)


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EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) I

� Revisión de DCF (IEEE802.11):• CSMA/CA• Transmite la trama directamente si el medio está libre durante

DIFS (DCF InterFrame Space)

• Backoff time=rand[0,CW]; CWmin<CW<CWmax

• Transmisión de la trama cuando expira el backoff.

� ¿Cómo proveer prioridades?• Se definen cuatro categorías de acceso (AC) que gestionan


49

• Se definen cuatro categorías de acceso (AC) que gestionan cuatro colas con diferentes prioridades.

• Se reemplaza DIFS con AIFS (Arbitration InterFrame Space).

• Cada AC define sus propios valores de AIFS, Cwmin y Cwmax

• Se define Transmission Opportunity (TXOP) como el tiempo máximo que una estación puede transmitir desde que obtiene el derecho a transmitir.o Se define mediante el tiempo de inicio y duración.

EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) II


50

Timing with 802.11a

aSlotTime: 9µs

SIFS: 16 µs

DIFS: 34 µs

EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) III

Mapeo a una AC

AIFS[0] AIFS[1] AIFS[2] AIFS[3]


51

AIFS[0]

CWmin[0]

CWmax[0]

AIFS[1]

CWmin[1]

CWmax[1]

AIFS[2]

CWmin[2]

CWmax[2]

AIFS[3]

CWmin[3]

CWmax[3]

TX

Acceso paralelo al mismo intervalo, la AC con mayor prioridad transmite;

las otras actúan como si una colisión hubiese ocurrido.

EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) IV


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http://www.networkworld.com/news/tech/2003/0623techupdate.html

Mapeo de la prioridades de usuario a los AC

Priority 801.D UP 801.D desig. AC Designation

Lowest 0 BE (Best Effort) AC_BE Best effort

1 BK (Background) AC_BK Background

2 Spare AC_BK Background

3 EE (Excelent AC_BE Best effort


53

3 EE (ExcelentEffort)

AC_BE Best effort

4 CL (Ctrl. Load) AC_VI Video

5 VI (Video) AC_VI Video

6 VO (Video) AC_VO Voice

Highest 7 NC (Netw. Ctrl) AC_NC Voice

Características de las categorías de acceso

Access Category

CWmin Cwmax AIFSN TXOPlimit

AC_BK=AC3 15 1023 7 0

AC_BE=AC2 15 1023 3 0

AC_VI=AC1 7 15 2 3.008

AC_VO=AC0 3 7 2 1.504


54

AC_VO=AC0 3 7 2 1.504

• AIFS[AC]=SIFS+AIFSN[AC]*aSlotTime• Menores valores de AIFS, Cwmin y Cwmax , menor es el

retardo para acceder al medio.• TXOP se utiliza para diferenciar diferentes prioridades en una

misma AC.o TXOP=0 una sola MSDU

HCCA (Hybrid Coordination Function ControlledChannel Access)

� Extiende el funcionamiento de PCF.� Durante el CFP, Controlled Access Phase (CAP):

• HC escruta a las estaciones y da permiso para acceder al canal.

• HC especifica el tiempo de inicio y la duración máxima para cada transmisión (TXOP).

• Se diferencias distintos tipos de flujo.


55

� Durante el Contention Period, • Se utilizan las reglas EDCA.• HC puede escrutar a una estación durante el CP ganando el

acceso al medio de transmisión después de un intervalo PIFS .

HCF Superframe


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Ejemplos de dispositivos reales

Ejemplo de parametros fisicos en un dispositivo real

Cisco Aironet 802.11a/b/g Wireless CardBus Adapter


58

Ejemplo de en un dispositivo real

Configuración AP


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