Estándar Ieee 802.11

Estándar IEEE 802.11 Wireless LAN Diego Alejandro Villegas Oliveros, Estudiante de Ingeniería Telemática, Universidad Icesi

a nivel MAC que hay que tener en cuenta a la hora de implementar una red de área local inalámbrica. Resumen— El trabajo aquí presentado es una pequeña recopilación sobre el estándar de comunicaciones 802.11 de la IEEE que se centra en las LAN sin cables o más bien conocidas como Wireless LAN. De manera general se explicaran algunas de las características más importantes del protocolo, tales como: La arquitectura, La capa física y El nivel de enlace de datos. También se incluirá un breve recorrido, detallando características, ventajas y desventajas de los estándares de acceso inalámbrico de la familia 802.11 aprobados por la IEEE.

Temas claves— Redes inalámbricas, WLAN, radiofrecuencias, subcapa MAC, subcapa LLC, algoritmo CSMA/CA, FHSS, DSSS, PFC, DFC.

I. INTRODUCCIÓN Las diferentes necesidades de la sociedad han llevado a desarrollar diferentes tecnologías, las cuales no deben ser desarrolladas sin regulación alguna, dado que se generan aun mas limitaciones e cuanto a implementación y desarrollo, es en este punto en donde nacen los estándares los cuales son especificaciones que regulan la realización de ciertos procesos o la fabricación de componentes para garantizar la interoperabilidad. En las telecomunicaciones las necesidades de comunicación han llevado a desarrollar diferentes tecnologías, inicialmente mediante medios guiados, pero con el tiempo han aparecido limitaciones y necesidades, las cuales han llevado a desarrollar tecnologías mediante medios no guiados o más bien conocidas como inalámbricas. Entre las tecnologías de medios no guiados encontramos las LAN Inalámbricas o también conocidas como Wireless LANs, cuya función principal es proporcionar conectividad y acceso a las tradicionales redes cableadas, pero con la flexibilidad y movilidad que ofrecen las comunicaciones inalámbricas. Estos sistemas (WLAN) están consolidados mediante el estándar IEEE 802.11 desde el mes de junio del año 1997. En este estándar se encuentran las especificaciones tanto físicas como

Los estándares a menudo son extendidos obteniendo diferentes modificaciones y mejoras, es así como el estándar IEEE 802.11 no es excepción a esta regla, y para el cual han surgido nuevas especificaciones las cuales se pretenden explicar en este documento.

II. EL ESTANDAR 802.11 El estándar IEEE 802.11 define especificaciones para una LAN inalámbrica, el cual cubre los dos primeros niveles del modelo OSI, físico y de enlace de datos.

A. Arquitectura Dentro de la arquitectura del estándar IEEE 802.11 están definidos dos conjuntos de servicios, conjunto de servicios básicos (BSS) y el conjunto de servicios ampliados (ESS). El conjunto de servicios básicos es definido por IEEE 802.11 como el conjunto constructivo de una LAN inalámbrica, este esta compuesto por estaciones fijas, móviles y en algunas ocasiones por una estación base llamada punto de acceso (AP). Aquellas LAN inalámbricas sin AP son denominadas arquitectura ad hoc, son redes BSS aisladas y no pueden enviar datos a otra BSS, por otro lado aquellas BSS con punto de acceso son regularmente conocidas como redes con infraestructura [1].

Fig. 1. Ad hoc

Fig. 2. Red con infraestructura

Dos o mas redes BSS interconectadas mediante un sistema de distribución a través de los AP, estas son denominadas conjunto de servicios ampliados (ESS), en este contexto y dado que los puntos de acceso son interconectados por cable

formando parte de una LAN estaríamos hablando de dos tipos de estaciones móviles (estaciones dentro de las BSS) y fijas (Puntos de acceso AP) [1]. Un ESS permite la comunicación entre estaciones ubicadas en diferentes BSS mediante el AP y el sistema de distribución, cabe anotar que una estación puede pertenecer a dos BSS al mismo tiempo [1], [2].

Fig. 4. Espectro expandido por salto de frecuencia (FHSS)

El DSSS es una técnica que consiste en la generación de un patrón de bits redundante, conocido como señal de chip o chipping, para cada uno de los bits que componen la señal de información y la posterior modulación de la señal resultante mediante una portadora de radiofrecuencia [2]. En recepción es necesario realizar el proceso inverso para obtener la señal de información original. Si uno o más bits en la señal de chip se dañan durante la transmisión, no es necesaria la retransmisión pues a través del chipping se envía información redundante y esto permite verificar errores e incluso corregirlos durante las transmisiones [3]. La secuencia de bits utilizada para modular cada uno de los bits de información es la llamada secuencia de Barker y tiene la siguiente forma:

1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, 1, -1, -1, -1 Fig. 3. ESS

La capa física del estándar 802.11 nos ofrece tres tipos de codificación de información: Frecuency Hopping Spread Spectrum (FHSS) (Espectro Expandido por Salto de Frecuencia), Direct Sequense Spread Spectrum (DSSS) (Espectro Expandido por secuencia directa), e Infrared (IR) (infrarrojo).

WLAN por Infrarrojos utiliza luz infrarroja en el rango de los 800 a 950 nm. Utiliza una técnica denominada modulación por posición de pulsos (PPM). La modulación PPM consiste en transmitir pulsos de amplitud constante y codificar información según la posición del pulso. La codificación infrarroja nos Proporciona velocidades de transmisión de 1Mbps para una modulación de 16ppm y de 2Mbps para 4ppm. Esta tecnología es aplicada típicamente en entornos de interior para implementar enlaces punto a punto de corto alcance o redes locales en entornos muy localizados como puede ser una aula concreta o un laboratorio [1].

El FHSS es una técnica de modulación en espectro ensanchado en el que la señal se emite sobre una serie de radiofrecuencias aparentemente aleatorias, saltando de frecuencia en frecuencia utilizando una secuencia pseudo aleatoria almacenada en unas tablas, y que tanto el emisor y el receptor deben conocer [2], [3]. Este tipo de transmisión en espectro ensanchado ofrece 3 ventajas principales:

C. Nivel de enlace de datos El nivel de enlace de datos del estándar 802.11 esta compuesta por dos subcapas: la capa de control de enlace lógico (LLC) y la capa de control de acceso al medio (MAC)

B. Capa Física

1. Las señales son altamente resistentes al ruido y a la interferencia. 2. Las señales en son difíciles de interceptar. 3. Las transmisiones pueden compartir una banda de frecuencia con muchos tipos de transmisiones. Fig. 5. Nivel Enlace de datos

Subcapa LLC Establece y finaliza los enlaces, controla el tráfico de tramas, secuencia las tramas y confirma la recepción de las tramas. La subcapa LLC gestiona la comunicación de enlace de datos y define el uso de los puntos de acceso AP. Otros equipos pueden hacer referencia y utilizar los AP para transferir

información desde el subnivel LLC hacia los niveles superiores del modelo OSI. El nivel LLC, definido en el estándar 802.2, es el mismo para cualquier tipo de adaptador de red, y es independiente del dispositivo y del medio físico [4].

Fig. 6. Subnivel LLC

distribuido (DIFS), a continuación envía una trama corta de control de solicitud de transmisión RTS (Request To Send). El destino recibe esta trama significa y espera un periodo de tiempo llamado espacio corto entre tramas (SIFS) y devuelve una trama de contestación: preparado para transmitir CTS (Clear To Send) o receptor ocupado (RxBUSY). Si la respuesta es afirmativa el equipo origen espera un tiempo SIFS y transmite la trama en espera (DATA). Si el equipo destino recibe correctamente el mensaje, espera una cantidad de tiempo SIFS y contesta con la trama de confirmación positiva ACK (ACKnowledged) y si no la recibe correctamente contesta con la trama de confirmación negativa NAK (NAKnowledged) y el equipo origen tratará de volver a enviarlo. Este procedimiento se repite un número predefinido de veces hasta conseguirse una transmisión correcta de la trama DATA [1], [4].

Subcapa MAC El acceso al medio inalámbrico es coordinado mediante funciones de coordinación nos definen dos funciones, una denominada función de coordinación distribuida (DCF) y la otra función de coordinación puntual (PFC)

Fig. 8. Envío de una trama mediante protocolo CSMA/CA

Dificultades durante el protocolo de acuerdo EL problema de la estación oculta Supongamos 3 estaciones A, B y C en un entorno CSMA/CA:

Fig. 7. Arquitectura MAC

Función de coordinación Distribuida La función de coordinación distribuida (DFC) de termina dentro de un conjunto básico de servicios (BSS), cuando una estación puede transmitir o recibir unidades de datos de protocolo a nivel MAC a través del medio inalámbrico, su funcionamiento se basa en técnicas de acceso aleatorias por contienda al medio, debido a que técnicas de contienda introducen retardos aleatorios y no predecibles el trafico transmitido bajo esta funcionalidad es asíncrono. La función DFC utiliza CSMA/CA (acceso múltiple por detección de portadora con evasión de colisiones) como protocolo de acceso al medio. Cada equipo anuncia su intención de transmitir antes de hacerlo para evitar colisiones entre los paquetes de datos, dado que las WLAN no cuentan con un modo práctico para transmitir y recibir simultáneamente. Para enviar una trama, el equipo origen primero detecta el estado del canal (libre u ocupado), si esta libre espera un periodo de tiempo conocido como espacio entre tramas

Fig. 9. Arquitectura MAC

La Estación A y la Estación C transmitirían correctamente (no pueden verse mutuamente en la fase de detección; así pues, ambas podrían transmitir simultáneamente y de forma correcta un paquete), pero la Estación B recibiría datos dañados. Se dice que la Estación A y la Estación B están "ocultas" la una de la otra. Para resolver este problema utilizamos las tramas RTS y CTS. La estación A envía una trama RTS a la estación B, que a su vez envía una trama CTS pequeño como respuesta. Esta trama es lo recibida tanto por la estación A como por la estación C. La estación C se detendrá y no llevará a cabo la

transmisión en este caso durante el tiempo que dure la transmisión. Se debe tener en cuenta que las estaciones ocultas pueden reducir la capacidad de la red debido a la posibilidad de colisión [1].

pequeña explicación de algunas de las versiones más importantes:

802.11 Legacy

Creado en 1997. Es conocido como la versión original del estándar IEEE. Permite velocidades de transmisión de hasta 2 Mbps y opera sobre la frecuencia de 2,4 GHz. Utiliza el protocolo de acceso al medio CSMA/CA [5]. Este estándar tiene dificultades de comunicación entre dispositivos de diferentes marcas, también se debe tener en cuenta que la banda de 2.4 Gs tiene gran uso (pues es la misma banda usada por los teléfonos inalámbricos y los hornos de microondas, entre otros aparatos), lo cual crea problemas de interferencia. Actualmente no hay implementaciones disponibles [6].

Fig. 10. Solución problema estación oculta

El Problema de la estación expuesta 802.11a OFDM

Supongamos 4 estaciones A, B, C y D en un entorno CSMA/CA:

A

B

C

D

Fig. 11. Problema de la estación expuesta

Supongamos que la estación A esta transmitiendo datos a B. La estación C tiene datos por enviar a D, que pueden ser enviados sin intervenir con la transmisión entre A y B. Dado que C esta expuesta a la estación B este toma la decisión de no enviar datos a D, desaprovechando la capacidad de canal [1],[3].

Aprobada desde 1999. Permite realizar transmisiones con velocidades de hasta 54Mbps y opera sobre la banda de frecuencias de 5 GHz. El alcance aproximado para este estándar es de aproximadamente 25 metros. Utiliza 52 subportadoras (Subcarriers) mediante la múltiplexación por división de frecuencias OFDM el utilizar la banda de 5 GHz representa una ventaja del estándar 802.11a, dado que se presentan menos interferencias con respecto a su antecesor 802.11 Legacy, pero al hacer uso de frecuencias tan altas su cobertura disminuye drásticamente, es decir mayor atenuación. La especificación no es compatible con otras, solamente con las de su mismo tipo, esto debido a la diferencia de frecuencia manejada [5]- [7].

Función de coordinación Puntual La función de coordinación puntual (PFC) esta asociada a transmisiones libres de contienda las cuales utilizan técnicas de acceso deterministas. Para esta función se define una técnica de interrogación circular desde el punto de acceso AP. Esta funcionalidad es para servicios de tipo síncrono que no soportan retardos aleatorios en el acceso al medio [2].

D. Estándares El estándar 802.11 ha tenido una evolución constante desde su nacimiento, es por esto que hoy existen varias versiones, cada una con especificaciones y mejoras diferentes, y siempre con el objetivo de mejorar a su antecesora. Veamos una

Fig. 12. Múltiplexación por división de frecuencias OFDM

802.11b DSSS

Ratificado en 1999. Soporta velocidades en condiciones ideales de hasta 11Mbps y opera sobre la banda de frecuencias de 2.4 - 2.5 MHz. El alcance aproximado para este estándar es de aproximadamente 50 metros. Es el más popular pues fue el primero en imponerse y existe un inventario muy grande de equipos y dispositivos que manejan esta tecnología. Al igual que su la versión original emplea CSMA/CA como técnica para el acceso al medio. Utiliza la técnica de Espectro Ensanchado por Secuencia Directa DSSS, mencionada en

anteriormente, para la modulación de la señal, enviando también bits de redundancia que evitan retransmisiones corrigiendo los errores en la trama [5]- [7].

[4]

Tema 4: Redes de area Local. Universidad politécnica de Cartagena. [en línea]. Disponible en: http://www.dte.upct.es/personal/manuel.jimenez/docencia/GD6_Comuni c_Ind/pdfs/Tema%204.pdf (consultado en octubre 25 de 2008)

[5]

Introducción a la tecnología Wireless 802.11. E-advento Networks Corp. [en línea]. Disponible en: http://www.eadvento.com/tecnologia/wlan_intro.php (consultado octubre 25 de 2008)

[6]

IEEE 802.11. Wikipedia Org. [en línea]. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/802.11 (consultado octubre 25 de 2008)

[7]

Estándares Wifi de conexión. Virusprot Corp. [en línea]. Disponible en: http://www.virusprot.com/cursos/Redes-Inal%C3%A1mbricas-Cursogratis3.htm (consultado octubre 25 de 2008)

802.11g

Estándar ratificado en junio de 2003. Opera a una velocidad de transmisión máxima de 54 Mbps y emplea las mismas bandas de frecuencia que el estándar 802.11b, haciéndolo de igual manera compatible. Sin embargo, al mezclar los dos estándares en una misma red, se reduce significativamente la velocidad de transmisión. Emplea las técnicas de modulación OFDM y DSSS. Con potencias de hasta medio vatio y antenas parabólicas apropiadas, puede llegar a hacer comunicaciones de hasta 50 Km [5]- [7]. Los demás estándares son mejoras o complementos de los estándares mencionados.

802.11n Es un estándar nuevo que aún está en elaboración. Si bien se está trabajando en él desde el año 2004. Se prevé que tendrá una velocidad de transmisión minima de 100Mbps y podría llegar a alcanzar los 600 Mbps, A diferencia de las otras versiones de Wi-Fi, esta versión puede trabajar en dos bandas de frecuencias: 2,4 GHz y 5 GHz. Debido a esto, la versión es compatible con dispositivos basados en todas las ediciones anteriores. Este nuevo estándar utilizara la tecnología MIMO Multiple Input – Multiple Output, que permite utilizar varios canales a la vez para enviar y recibir datos gracias a la incorporación de varias antenas [5]-[7].

Fig. 13. Diagrama de sistema MIMO

III. REFERENCIAS [1]

FOROUZAN, Behrouz A. Transmisión de Datos y Redes de Comunicaciones. Cuarta edición. Madrid: McGraw-Hill Interamericana. 2002. pp 393-406

[2]

Direct Sequence Spread Spectrum .Anon , Accessed 3rd August 2005 [en línea]. Disponible en: http://searchnetworking.techtarget.com/sDefinition/0,,sid7_gci525721,0 0.html (consultado en octubre 25 de 2008)

[3]

Frequency-hopping spread spectrum. Wikipedia Org. [en línea]. Disponible en: http://en.wikipedia.org/wiki/Frequencyhopping_spread_spectrum(consultado en octubre 25 de 2008)