Transcript Capa física

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