Tema 2. IEEE 802.11. TECNOLOG

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Tema 2. IEEE 802.11. TECNOLOGÍA INALÁMBRICA

• Alejandro Carrasco Muñoz
• Jorge Ropero Rodríguez

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Índice

1. Estándar 802.11
2. Capas física y de enlace de datos
3. Tecnología ínalámbrica
4. Usos y aplicaciones
5. Tecnología y matemática en la comunicación por
   radio.

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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.).

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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.

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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/a.
• Canales de 40 MHz.
• Funcionamiento a 5 Ghz (mejor rendimiento),
  aunque se pueden usar los 2.4 Ghz, si las
  frecuencias están libres.

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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
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Índice

1. Estándar 802.11
2. Capas física y de enlace de datos
3. Tecnología ínalámbrica
4. Usos y aplicaciones
5. Tecnología y matemática en la comunicación por
   radio.

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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)

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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 ).

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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.

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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.

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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, en
  TDT, WiFi, WiMax, ADSL.

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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.

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Capa de enlace
Cabecera LLC/SNAP (802.2)
Trama 802.11 de datos
Control Trama Dura- ción Dirección Destino Dirección Origen Dirección 3 Seq. Dirección 4 Datos CRC
IP
2 Bytes 2 Bytes 6 Bytes 6 Bytes
6 Bytes 2 Bytes 6 Bytes 0-2312 Bytes
4 Bytes
Trama Ethernet
Dirección Destino Dirección Origen EType Datos CRC
IP
6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes 46-1500
Bytes 4 Bytes
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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 para adecuarla al
  medio inalámbrico.
• 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).

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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

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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

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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.

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Índice

1. Estándar 802.11
2. Capas física y de enlace de datos
3. Tecnología inalámbrica
4. Usos y aplicaciones
5. Tecnología y matemática en la comunicación por
   radio.

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3. Tecnología inalámbrica

• Ondas
• Espectro electromagnético.
• Propagación de ondas electromagnéticas.
• Absorción
• Reflexión
• Difracción
• Refracción
• Interferencia.

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Ondas

• Conceptos
• Foco.
• Superficie/frente de onda
• Velocidad de fase
• Parámetros
• Amplitud
• Frecuencia (Hz)
• Periodo
• Longitud de onda
• ? v/f

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Espectro electromagnético

• En redes inalámbricas

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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 ?1 n2 Sen ?3
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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.

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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.

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2. Capas física y de enlace de datos
3. Tecnología ínalámbrica
4. Usos y aplicaciones
5. Tecnología y matemática en la comunicación por
   radio.

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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.

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2. Capas física y de enlace de datos
3. Tecnología ínalámbrica
4. Usos y aplicaciones
5. Tecnología y matemática en la comunicación por
   radio.

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5. Tecnología y matemática en la comunicación por
radio

• Pérdida en el espacio libre (FSL)
• Zonas de Fresnel y visibilidad radioeléctrica.
• Multitrayectoria o multirruta.

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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) - 147,5
• Si expresamos la distancia en kilómetros y la
  frecuencia en MHz la fórmula es
• FSL(dB) 20log10(d) 20log10(f) 32,4

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Visibilidad radioleléctrica

• Zonas de Fresnel
• 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
• La zona de Fresnel 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.

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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.

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REDES INALÁMBRICAS Y SEGURIDAD EN REDES
Alejandro Carrasco Muñoz Jorge Ropero Rodríguez