Comunicaciones Inalámbricas

CAPITULO II WIRELESS LOCAL AREA

NETWORKS

Curso de Comunicaciones Inalmbricas

Septiembre 2012-Enero/2013

ESTNDARES DE REDES LAN INALMBRICAS

IEEE 802.11

HiperLAN

IEEE 802.11

IEEE 802.11

Es un estndar inalmbrico de redes de rea local que especifica un interfaz inalmbrico entre un cliente y una estacin base o punto de acceso (access point), as como entre clientes inalmbricos

Define la capa PHY y la subcapa MAC (subcapa LLC definida en 802.2)

El proceso de estandarizacin inici en 1990 y an contina, 1ra publicacin `97, 2da publicacin `99, `03

IEEE 802.11

Ancho de Banda: 1-2-5.5-11-22-54 Mbps

Medio Fsico:

Espectro Ensanchado

Infrarojo (10 m)

Pila de Protocolos

Capa Fsica

Subcapa MAC

Arquitectura (1)

BSS (Basic Service Set): set de nodos usando la misma funcin de coordinacin para el acceso al canal BSA (Basic Service Area): rea cubierta por un BSS

BSS modos de configuracin: - ad hoc: nodos se comunican directamente entre si - infraestructura: BSS es conectada a una infraestructura fija a travs de un controlador centralizado, conocido como Punto de Acceso (Access Point - AP)

WLANs con Infraestructura

BSS contienen

Hosts inalmbricos

Punto de acceso (AP): Estacin Base

BSSs estn interconectados mediante un sistema de distribucin (DS)

WLANs Ad Hoc

Red Ad Hoc: Estaciones IEEE 802.11 pueden dinmicamente formar una red sin AP y comunicarse directamente entre si.

Aplicaciones: laptop conferencias Interconexin de dispositivos personales Campo de batalla

IETF MANET (grupo de trabajo MANET)

Extended Service Set (ESS)

Varios BSSs interconectados entre s a nivel de la subcapa MAC forman un Extended Service Set (ESS)

El backbone que se encuentra interconectando los BSSs puede ser

- LAN (802.3 Ethernet/802.4 Token Bus/802.5 TokenRring)

- Red MAN almbrica - IEEE 802.11 WLAN

Extended Service Set (ESS)

Una ESS puede proveer acceso a Internet a travs de un nodo gateway. Cuando la red es fija es una IEEE 802.X, el gateway trabaja como un bridge por eso lleva a cabo la conversin del formato de trama.

STA

Posibles Escenarios (1) Ad hoc networking Independent BSS (IBSS)

AP

STA

STA Distribution

STA STA

system IEEE 802.X

Red con infraestructura

STA

AP

STA

Posibles Escenarios (2) Ad hoc WLAN Distribution system

STA STA

AP AP

STA STA STA STA

WLANs con infraestructura

Unin de BSSs

BSS con AP: son necesarias la autentificacin y la asociacin para unir una BSS

BSS independiente: ninguna autentificacin ni procedimientos de asociacin son requeridos para unir a una IBSS

Unin de BSSs con AP: Scanning

Una estacin dispuesta a unirse a un BSS debe obtener comunicacin con el AP. Esto puede suceder mediante:

1. Passive Scanning

La estacin busca en los canales para obtener una trama Beacon, que es peridicamente enviada por el AP

Unin de BSSs con AP: Scanning

2. Active Scanning (la estacin trata de encontrar un AP)

La estacin enva una trama ProbeRequest

Todos los APs que han sido alcanzados responden con una trama ProbeResponse

Una vez que un AP ha sido encontrado y seleccionado, la estacin realiza la autentificacin

Unin de BSSs con AP: Autentificacin Sistema de Autentificacin Abierta (predeterminado, 2 pasos)

- Estacin enva una trama de autentificacin con su identidad - AP enva una trama como un ACK/NACK

Compartiendo una llave de autentificacin

Estaciones reciben una llave secreta que es compartida a travs de un canal independiente de 802.11 Estaciones autentifican a travs de la llave (requiere encriptacin va WEP).

Unin de BSSs con AP: Asociacin Una vez que la estacin es autentificada, esta inicia el proceso de asociacin, ej. Intercambia informacin de las capacidades y roaming de AP/estacin

STA ->AP: AssociateRequeste frame AP-> STA: AssociationResponse frame AP nuevo informa a uno antiguo va DS

Una vez finalizada la asociacin, una estacin puede transmitir y recibir datos

IEEE 802.11/802.11b

Capa Fsica

Tres diferentes tcnicas de acceso:

Infrarojos (IR)

Frequency hopping spread spectrum (FHSS)

Direct sequence spread spectrum (DSSS)

Infrarojos

Trabaja en el rango regular IR LED, ej: 850-950 nm Usado en ambientes indoor

Requiere lnea de vista, emplean transmisin difundiendo la luz

Con modulacin de posicin de pulso (4-PPM) se puede obtener una velocidad de 2 Mbps (2 bits de informacin codificados con 4 bits) Mxima potencia de salida: 2W

Spread Spectrum

Idea: seal ensanchada sobre una banda extendida de frecuencia

Frequency Hopping: transmite sobre una secuencia randmica de frecuencias

Direct Sequence: secuencia randmica (conocida por ambos el emisor y el receptor) llamado chipping code

Ejemplo

1 0

Data Stream:1010 1 0

Random Sequence:0100101101011001 1 0

XOR of the 2: 1011101110101001

FHSS

No se lo usa actualmente

Banda de frecuencia: ISM @ 2.4 GHz

En los U.S., la FCC ha especificado 79 canales de frecuencia con un ancho de 1 MHz. Frecuencia central es @ 2.402 GHz

Cada 3 canales corresponden a 1 Mbps con modulacin GFSK

50 saltos/s => 20 ms

DSSS (1)

La radiacin de potencia es limitado

Tpicamente: 85 mW

Banda de Frecuencia: ISM @ 2.4 GHz

Banda dividida en 3 canales, cada una de 11 MHz de ancho y con espaciamiento de 25 MHz

DSSS (2) Ensanchamiento se lo hace mediante la secuencia Barker con longitud de 11 chips

(11 chips/symbol)/11 MHz = 1 Mbps si DBPSK es usada

La secuencia PN es fija para todas las estaciones dentro de una BSS

DSSS (3)

BSSs adyacentes coexisten sin interferirse uno a otro si la separacin de su fo es al menos igual a 25 MHz No ms de 3 BSSs adyacentes deberan ser permitidos

Esquema de modulacin:

- DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) @ 1 Mbps

DSSS (4)

- DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) @ 2 Mbps

- CCK (Complementary Code Keying) @ 5.5, 11 Mbps

Rango

Indoor: 91m @ 1 Mbps / 30m @ 11 Mbps

Outdoor: 1200m @ 1 Mbps / 460m @ 11 Mbps

Rate Adaptation

Las estaciones permanentemente desarrollan operaciones para detectar y establecer automticamente la mejor tasa de datos

Informacin de Control siempre se enva @ tasa bsica Estndar no especifica como adaptar la velocidad de transmisin

Automatic Rate Adaptation: basado en medidas SIR sobre el movimiento de la ventana

Evolucin IEEE 802.11 (Radio)

IEEE 802.11 Protocolo MAC

Realiza las siguientes funciones:

Asignacin de recursos

Segmentacin y reensamblaje de datos

Direccionamiento MAC Protocol Data Unit (MPDU) MPDU ( formato de trama) Control de error

Tramas MAC

Tres tipos de trama son definidas

Control: ACK positivos, procedimientos para acceder al canal (RTS, CTS)

Datos: informacin a ser transmitida sobre el canal Administracin: conexin establecimiento/liberacin, sincronizacin, autentificacin. Intercambiados como trama de datos, pero no son reportados a capas mas altas

Data Transfer

Transferencia de datos asincrnica para trfico tolerante al retardo, como transferencia de archivos

DCF (Distributed Coordination Function)

Data Transfer

PCF (Point Coordination Function): basado en encuesta ( polling) de las estaciones y controlado por el AP

Esta implementacin es opcional (realmente no es implementada)

Time slot

Tiempo es dividido en intervalos, llamados slots

Un slot es la unidad de tiempo y su duracin depende de la implementacin de la capa fsica.

802.11b : 20 s

Estaciones son sincronizadas con el AP en el modo infraestructura y entre si en modo ad hoc, el sistema es sincrnico

Sincronizacin es mantenida a travs de la trama Beacon

IFS

Interframe space (IFS)

Intervalo de tiempo entre transmisiones de tramas Usada para establecer prioridad en el acceso al canal

4 tipos de IFS son definidas

IFS

Short IFS (SIFS) es asociado a la prioridad mas alta

Point coordination IFS (PIFS) > SIFS

Distributed IFS (DIFS) > PIFS

Extended IFS (EIFS) > DIFS

Duracin depende de la implementacin a nivel de capa fsica

Short IFS (SIFS)

Para separar transmisiones pertenecientes a un mismo dilogo

Asociado con la prioridad mas alta

Su duracin depende de :

Tiempo de propagacin sobre el canal

Tiempo a transmitir la informacin de la capa fsica a la MAC

802.11b: 10s

Point Coordination IFS (PIFS)

Usado para dar prioridad de acceso al Point Coordinator (PC)

Solamente un PC puede acceder al canal entre un SIFS y DIFS

PIFS= SIFS + 1 time slot

Distributed IFS (DIFS)

Usado por las estaciones que se encuentran esperando que el canal se libere para luchar por l

DIFS = PIFS + 1 time slot

Extended IFS (EIFS)

Usado por una estacin cuando la capa fsica notifica a la capa MAC que una transmisin no ha sido correctamente recibida

Esquema de Acceso DCF

Caractersticas Bsicas

Esta implementacin es obligatoria

DCF es basada en el esquema de Acceso Mltiple con Escuche de Portadora y Evitacin de Colisiones(CSMA/CA)

Estaciones que tienen datos para transmitir entran en contienda para acceder al canal

Una estacin debe repetir el procedimiento de contencin cada vez que se tiene una nueva trama de datos para transmitir

IEEE 802.11 Protocolo MAC: CSMA/CA

802.11 CSMA: emisor

Si sensa al canal libre por DIFS segundos, luego transmite una trama entera (sin deteccin de colisin) Si sensa al canal ocupado implementa un backoff binario (CA)

802.11 CSMA receptor:

si recibe OK regresa ACK despus de un SIFS

IEEE 802.11 Protocolo MAC:

802.11 Protocolo CSMA: otros

NAV: Network Allocation Vector

Trama 802.11 tiene un campo de transmisin Otros difieren el acceso por una unidad NAV de tiempo

Efecto del Terminal Oculto Terminales ocultos: A, C no pueden escuchar entre si

Obstculos, atenuacin de seal Colisiones en B

Meta: evitar colisiones en B

CSMA/CA with hanshaking

IEEE 802.11 Protocola MAC: Handshaking

CSMA/CA: explcitamente reserva el canal

Emisor: enva un mensaje corto RTS (Request to Send)

Oyente: responde con un mensaje corto CTS (Clear to Send)

IEEE 802.11 Protocola MAC: Handshaking CTS reserva el canal para el emisor, notificando a las estaciones (posiblemente ocultos)

Evita colisiones debido a terminales ocultos

IEEE 802.11 Protocola MAC: Handshaking Pequeos RTS y CTS

Colisiones son menos probables, de muy corta duracin

Fin resulta como deteccin de colisin

DCF permite:

CSMA/CA

CSMA/CA con reservaciones

Esquema de Acceso DCF Bsico

Esquema ms simple

Usado cuando la trama de datos a ser transmitida tiene corta duracin

Con handshaking

Usa tramas de control adicionales para acceder al canal Diseado para resolver los problemas de terminal oculto Provee alta fiabilidad en transmisin de datos

DCF Modo de Acceso Bsico

Escuche de Portadora

Usado para determinar si el canal esta ocupado o libre Llevado a cabo en la capa fsica

Escuche de portadora Fsico: deteccin de energa de fuentes cercanas

Escuche de portadora Virtual: la cabecera de trama indica la duracin de la MAC PDU (MPDU) incluida en la trama

Network Allocation Vector (NAV)

Usadas para estaciones cercanas al transmisor para almacenar la duracin de la trama que esta ocupando el canal.

El canal llega a estar libre cuando el NAV expira

Una vez que NAV expir, las estaciones que tienen datos a transmitir escuchan al canal nuevamente

Usando DIFS y SIFS

Transmisor:

Sensa el canal

Si el canal est libre, este espera un tiempo igual a DIFS

Si el canal contina desocupado por un periodo DIFS, este transmite su MPDU

Usando DIFS y SIFS

Receptor:

Computa el campo checksum para verificar si la transmisin es correcta

Si es correcta, este transmite un ACK despus de un tiempo igual a SIFS

Este debera siempre transmitir un ACK con una tasa menor o igual a la usada por el transmisor

Transmisin MPDU

Retransmisin de Tramas

Una transmisin de trama podra fallar debido a una colisin o error en el canal de transmisin

Una transmisin fallida se la vuelve a intentar hasta un determinado nmero de retransmisiones es alcanzado

Esquema ARQ (Para y Espera)

Collision Avoidance (CA)

Back-off procedure

Si una estacin escucha al canal ocupado, este espera a que el canal est libre

Tan pronto como el canal est libre por DIFS, la estacin:

Computa el intervalo backoff de tiempo Fija el contador backoff a este valor

La estacin ser capaz de transmitir si el contador backoff alcanza 0

Transmisin MPDU

Valor Backoff

Valor entero correspondiente a un nmero de ranuras de tiempo (time slots)

El nmero de slots es una variable randmica distribuida en [0,CW]

CW es la ventana de contencin y en cada intento de transmisin es actualizada como:

Para i=1, CW1=Cwmin

Para i>1, CWi=2(CWi-1) 1 con i>1 empezando al nmero de

intentos consecutivos para transmitir una MPDU

Para cualquier i, Cwi

Decrecimiento Back--off

Mientras el canal est ocupado, el contador backoff esta parado

Mientras el canal est libre, la estacin decrece el valor backoff hasta

El canal llegue a estar ocupado El contador del backoff alcanza 0

Accediendo al canal Si mas de una estacin decrese su contador a 0 en el mismo tiempo colisin

Estaciones colisionantes debern calcular un nuevo valor backoff

Post-Backoff

Despus de completar una transmisin, una estacin espera por ACK y luego establece el backoff procedure, no importa si tiene una nueva MPDU para transmitir o no

Solamente existen dos casos donde una STA enva una trama despus de haber sensado el canal libre por un DIFS:

- La STA ha conformado recientemente la BSS, o - Su post-backoff ya ha terminado

SIFS and DIFS

Station A Data

SIFS Ack

Station B DIFS CWindow

Other stations wait

Back-off

Data

Back-off Procedure DIFS DIFS DIFS DIFS

Station A Station B Station C Station D

Frame

wait

wait

wait

CWindow Back-off Frame

CWindow

Frame CWindow

Frame

Station E wait Frame

Back-off Remaining Back-off

DCF Bsico: Ejemplo

Fragmentacin de Datos (1)

Un MSDU es fragmentado en ms de una trama (MPDU) cuando su tamao es ms grande que un determinado valor umbral de fragmentacin

En el caso de falla, menor ancho de banda es desperdiciado


Todas las tramas MPDU tienen el mismo tamao a excepcin de la ltima, que puede ser mas pequea que el valor umbral de fragmentacin (fragmentation threshold)

En cada fragmento es insertada la cabecera PHY, es conveniente si el umbral de fragmentacin no es muy pequeo


MPDUs originadas de una misma MSDU son transmitidas a SIFS + ACK + SIFS

El transmisor libera el canal cuando

La transmisin de todos los MPDUs pertenecientes a una misma MSDU es completada

El ACK asociado a un MPDU es perdido


El contador Backoff es incrementado por cada fragmento retransmitido perteneciente a una misma trama

El receptor reconstituye los MPDUs en el MSDU original que es luego pasada a capas superiores

Unidades de datos broadcast y multicast nunca son fragmentados

Recompeticin por el Canal

Una estacin recompite por el canal cuando Este ha completado la transmisin de un MPDU pero an tiene datos para transmitir

Una transmisin MPDU falla y el MPDU debe ser retransmitido

Recuerda que antes de recompetir por el canal, una estacin debe llevar a cabo el procedimiento backoff

EIFS Usado por una estacin, cuando la capa fsica notifica la subcapa MAC que una transmisin est errada

Inicia desde el instante en que la capa fsica detecta un canal libre despus de una trama errada, sin tener en cuenta el mecanismo virtual de escuche de portadora

EIFS EIFS debe ser lo suficientemente largo para que otra estacin pueda responder que pas, para una STA, una trama errada antes STA accedan al canal

Ejemplo

C->B; debido a un error en el canal A no recibe correctamente

Como C Tx fin, A debe esperar EIFS antes de acceder al canal, entonces C puede Rx ACK de B

DCF Acceso con handshaking

Acceso con Handshake

Usado para reservar el canal

Se lo utiliza debido a:

Estaciones ocultas

Estaciones que colisionan continan transmitiendo sus MPDU; si se transmite un MPDU grande en colisin, mayor ancho de banda es desperdiciado.

Acceso con Handshake

Se necesita evitar colisiones, especialmente cuando la trama es grande

Particularmente til cuando un nmero grande de estaciones luchan por el canal

RTS/CTS

Procedimiento con Handshaking utiliza las tramas de control Request to Send (RTS) y Clear to Send (CTS)

RTS/CTS deberan transmitirse a 1 Mbps

Acceso con handshaking es usado para tramas mas largas que un RTS_Treshold

DCF con Handshaking Transmisor (con tramas de datos o administracin a transmitir):

Envia un RTS (20 bytes de longitud) al destino

Vecinos: Leen el campo de duracin en RTS y establecen su NAV

Receptor: Lee el campo de duracin en CTS y actualiza su NAV

Transmisor: Inicia la transmisin una vez que recibe CTS

MPDU Transmission & NAV DIFS SIFS

other

RTS SIFS

CTS

DATA NAV (RTS)

ACK SIFS

source destination CW

NAV (CTS) NAV (data) DIFS

backoff

El problema de terminales ocultos RTS

A B C D CTS

B C: RTS

C B: CTS; D conoce que C est ocupado recibiendo una transmisin de B

El problema de terminales ocultos

Si una estacin detecta el mensaje RTS solamente, establecer su NAV

Si la estacin que origina el RTS no recibe el CTS dentro de un cierto timeout

este piensa que el destino es inalcanzable

este inicia el backoff procedure para re-intentar el acceso al canal

El problema de terminales ocultos

Una estacin, que recibe CTS solamente, ajustar su NAV an si este no recibi el correspondiente RTS

Por tanto, el problema de terminales ocultos es resuelto

Sin embargo, si una STA cercana al receptor no escucha CTS debido a una colisin, este intentar acceder al canal y causar colisin en el receptor

MACA (Multiple Access with Collision Avoidance Karn 90)

Algoritmo que origina el mecanismo RTS/CTS usado en 802.11

MACA evita el problema de hidden terminals igual que en 802.11

MACA evita el problema de exposed terminals tambin

El problema de terminales ocultos CTS

RTS

A RTS

B C RTS

D

CTS

E AE; B escucha a A. E no puede escuchar a C enviando CTS como rplica a RTS de D. B luego puede transmitir un RTS hacia C causando colisin a C mientras D est transmitiendo hacia C

-

-

MACA (Multiple Access with Collision Avoidance Karn 90)

MACA evita el problema de exposed terminals como sigue:

Si una estacin detecta un mensaje RTS, establecer su NAV

Sin embargo, si no escucha el correspondiente CTS dentro de un cierto timeout, este piensa que puede intentar acceder al canal y reiniciar su NAV

El problema de terminales expuestos RTS

A B C CTS D

C D: RTS

D C: CTS; B no escucha la transmisin de D CTS, por eso este transmite a A

MACAW (MACA Wireless)

Este usa la siguiente secuencia de mensajes: RTS- CTS-DS (Data Sending)-Data-ACK

DS es introducido porque:

Si B no escucha CTS de D, B puede acceder al canal

Si B enva RTS hacia A mientras C ha iniciado la transmisin hacia D, B no estara en capacidad de recibir CTS de A (Las transmisiones de C y A colisionaran en B)

MACAW (MACA Wireless)

Para resolver el problema, C enva un mensaje DS para informar a sus vecinos que la transmisin de datos tomar lugar

Ninguna otra transmisin con RTS/CTS de los vecinos de C deberan intentar durante este tiempo

Contadores Retransmisiones

Cada estacin utiliza dos contadores:

Long_Retry_Counter (LRC) si el MPDU a transmitir es ms largo que RTS_Threshold

Short _Retry_Counter (SRC) en el resto de casos

Long Retryy_Limit (LRL): max valor de LRC Short _Retry_Limit (SRL): max valor de SRC

Contadores Retransmisiones

Si el transmisor no recibe CTS como una rplica a la trama RTS, despues de un cierto periodo timeout este incrementa su SRC

Si el transmisor no recibe ACK para su trama MPDU, despus de un cierto periodo timeout este incrementa su LRC

Tan pronto como cualquiera de los 2 contadores alcanza su valor mximo ( Short_Retry_Limit y Long_Retry_Limit, respectivamente), la trama es descartada

PCF Esquema de Acceso Centralizado


Usado en servicios con requerimientos de QoS, provee una lucha libre para el acceso al canal

Requiere de un punto de coordinacin (Point Coordination PC) que encueste las estaciones, puede ser implementado en las redes con infraestructura nicamente (AP=PC)


Estaciones capaces de operar bajo el modo PCF son concientes CF (CF=Contention Free)

Estaciones declaran su participacin en la fase CF en Association Request

PC construyen listas de encuestas basadas en las solicitudes recibidas

Listas de encuesta son estticas

La implementacin de las listas de encuesta y tablas son dejadas al sistema operador

Duracin PCF (1)

Diseado para coexistir con DCF

El Periodo CFP (Collision Free Period) determina la frecuencia de repeticin de PCF con respecto al periodo Collision Period (CP), durante el cual DCF es implementado

Duracin PCF (2)

CFP inicia con una seal beacon que es enviada en broadcast por el AP y es usada para sincronizar las estaciones

CFP termina con una trama CF_end

Coexistencia entre DCF y PCF CFP repetition interval

B PCF DCF B PCF DCF

NAV NAV

Duracin PCF (3)

La mxima duracin del CFP es determinada por el parmetro CFP_Max_Duration

minimo CFP_Max_Duration igual a:

2 MPDUs con longitud mxima + 1 trama beacon + 1 trama CFP_end

maximo CFP_Max_Duration igual a:

CFP repetition interval (RTS+CTS+1 MPDUs con longitud mxima + ACK)

Duracin PCF (4)

La duracin del periodo CFP es determinado por el AP basado por el trafico sobre la red

Cuando un CFP nuevo inicia, todas las estaciones establecen su NAV al valor CFP_Max_Duration

Supertrama y Protocolo PCF

Acceso CFP (1)

Cuando CFP debe iniciar, PC sensa el canal

Si est desocupado y se mantiene por un periodo igual a PIFS, PC broadcast una trama beacon

Durante el CFP, estaciones pueden transmitir solamente en respuesta a una encuesta del PC o despus de un perodo SIFS para conocer el acuse de recibo de la recepcin de un MPDU

Acceso CFP (2)

Despus de un periodo SIFS desde la trama beacon, PC transmite

Una trama CF-Poll (que no incluye datos) o Una trama de datos o

Una trama de datos + un CF-Poll

Acceso CFP (3)

PC podra terminar CFP enviando una trama CFP_end despus de su primera transmisin (CF-Poll o trama de datos o datos + CF-Poll)

En el caso de CFP contine:

La estacin encuestada por el PC a travs de CF- Poll puede replicar despus de un periodo SIFS para transmitir

una trama de datos una trama de datos + CF-ACK, si recibi los datos una trama NULL si no tiene datos para transmitir

Acceso CFP (4)

Como el PC recibe una trama de datos+CF-ACK, este espera un intervalo PIFS y luego puede transmitir una trama de datos+CF-ACK+CF-Poll a diferentes estaciones

Si el PC no recibe el CF-ACK como esperaba, este espera un tiempo PIFS y luego transmite a la siguiente estacin en la lista de encuesta

Supertrama y Protocolo PCF Superframe

Contention Free

P P P P P Contention Period Busy

Medium D1

S

U1 D2

S

U2 D3 D4

S

U4 Ack

D=CF-Down U=CF-UP S=SIFS P=PIFS

NAV Reset NAV

Cul es el problema en WLAN QoS?

PCF diseado para proveer QoS para trfico en tiempo real

Qu dificulta la QoS en 802.11? 1. Impredecible retardo beacon

Una STA no inicia una transmisin despus TBTT, pero contina su transmisin por eso pueden ser retrasadas las tramas beacon

A mas largo el tamao de la trama, el retraso de la trama beacon es mayor (hasta 4.9 ms)

Cul es el problema en WLAN QoS?

2. Duracin de transmisiones desconocidas 3. Listas estticas de polling-> polling saturado

Ms detalles de 802.11

Ahorro de Potencia Alto consumo de potencia: Ptx = 1.6 W Prx = 1.45 W Pidle=1.15 W, Pdoze=0.085 W

Estaciones pueden entrar en Power Saving Mode (PSM)

El AP mantiene un record de las estaciones en modo PSM y almacena paquetes hasta que la STA despierte

Ahorro de Potencia AP periodicamente transmite Beacon (para sinc.) Beacons tambien incluyen estaciones que en modo PSM estn esperando datos

Estaciones en modo PSM monitorean transmisiones beacon, despierta y encuesta el AP por ellos Mensajes multicast son transmitidos en un a-priori tiempo conocido

Todas las estaciones que deseen recibir esta informacin deberan despertar

Formato de Tramas

Prembulo Cabecera

PLCP Cabecera

MAC Cuerpo de

trama CRC

Prembulo y cabecera PLCP Prembulo (PHY dependiente)

Sync Una secuencia de 80 bits alternando 0s y 1s Start Frame Delimiter (SFD) patrn de 16-bit: 00001100 1011 1101 (para sincronizacin de tramas)

Cabecera PLCP (Debe ser transmitida a 1 Mbps)

Longitud No. de bytes en el paquete (usado por la capa PHY)

Campo Sealizacin para velocidad de datos HEC 16-bit CRC para la cabecera

Cabecera MAC+Cuerpo+CRC

Longitud de datos MAC y campo CRC en bytes Longitud de la trama de control de campos en bits

Campo de la trama de control Version del Protocolo

Para diferenciar entre: 802.11, 802.11a, b, g Type and Subtype

Tipo de trama:administracin (ej., Beacon, Probe,Association), control (ej., RTS, CTS, ACK, Poll), o datos

Existen mas de 30 diferentes tipos de tramas

Campo de la trama de control ToDS / FromDS

Si una trama destinada por el DS

FromDS=0,ToDS=0: tramas Mng&Control, Datos dentro de un IBSS

FromDS=1,ToDS=0: trama de datos para una estacin en una red con infraestructura

FromDS=0 ToDS=1: trama de datos de una estacin en una red con infraestructura

FromDS=1,ToDS=1: trama de datos sobre un bridge inalmbrico

Campo de la trama de control More Fragments

Para sealar que existen ms tramas entrantes Retry

1 si esta es una retransmisin de un fragmento Power Managment

Para sealar que la estacin es cambiada de modo Active a modo Power Save (o viceversa)

Campo de la trama de control More Data

Existen mas tramas almacenadas en los buffers para esta estacin (para poleo o cambio de estado) WEP

Indica si la trama es encriptada o no Order

La trama es un stream que es estrictamente ordenada

Otros campos de la Cabecera MAC

Duration / ID

Duration: usada para calcular NAV ID: Estacin ID para encuesta en PSM Sequence Control

Trama y fragmento numerada


Estndar 48-bit direccin IEEE

Address 1

Direccin de destino

Si ToDS=0, entonces direccin de STA final Si ToDS=1, BSSID (si FromDS=0) o bridge (si FromDS=1)


Address 2

Direccin del transmisor

Si FromDS=0, entonces direccin de la fuente Si FromDS=1, BSSID (si ToDS=0) o bridge (si ToDS=1)


Address 3

Si FromDS=ToDS=0, BSSID

Si FromDS=0, ToDS=1, direccin destino final Si FromDS=1, ToDS=0, direccin de la fuente Si FromDS=1, ToDS=1, direccin destino final


Address 4

Direccin de la fuente

Establecida solamente cuando una trama es transmitida desde un AP hacia otro ej., si FromDS=ToDS=1

Ejemplo: Trama RTS

Duracin (en s): Tiempo requerido para transmitir la siguiente trama (datos) + CTS + ACK + 3 SIFs RA: Direccin del recipiente inmediato

TA: Direccin de la STA transmitiendo la trama

Ejemplo: Trama CTS

Duracin (en s): Valor de duracin previo una trama RTS 1 CTS 1 SIFS

RA: Campo TA en la trama RTS

Ejemplo: Trama CTS

Duracin: duracin 1 trama previa 1 ACK 1 SIFS

RA:copiado del campo de direccin 2 de una trama previa

Algunos Valores PHY preamble: 18 bytes, transmitidos @ 1 Mbps

PHYHDR: 6 bytes, transmitidos @ 1 Mbps

MACHDR: 34 bytes, transmitidos @ la misma tasa de TX que la usada por el que TX la trama

ACK=Preamble + PHYHDR+14 bytes

IEEE 802.11a

Capa Fsica Estndar aprobado aos despus, debido a dificultades de frecuencias altas (5GHz) y altos costos UNII 5 GHz bands

In U.S.:

UNII-1: 4 channels for indoor use

UNII-2: 4 channels for indoor/outdoor use UNII-3: 4 channels for outdoor bridging

En Europa dificultades debido a Hiperlan II, pero ahora est aprobado

Capa Fsica OFDM (Orthogonal Frequency Division Modulation) como tecnologa de transmisin

Muy buen desempeo contra desvanecimientos multicamino

Modulacin: BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM Data rates: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps Rango reducido

slot=9s, SIFS=16s, PIFS=25s, DIFS=34s

Capa Fsica (OFDM) Canales son de 20 MHz

Cada canal tiene 52 subportadoras de 200 KHz, usadas por una estacin a la vez

108 Mbps es permitido usando dos canales simultneamente

IEEE 802.11a Velocidad de Transmisin hasta 54 Mbps

Productos ya en el mercado y capaces de permitir velocidades de 108 Mbps (Atheros turbo mode)

IEEE adoptar esto?

Tendr un impacto escencial sobre los rangos de comunicacin la banda de frecuencia de 5 GHz? Su correspondiente estndar en Europa es ETSI Hiperlan II

802.11a vs. 802.11b El consumo de potencia es similar, sin embargo con 802.11a toma de 4 a 9 veces menos energa para transmitir un paquete de datos de longitud determinado (debido a la alta velocidad de TX)

8 canales independientes con 802.11a (3 en 802.11b)

Max velocidad de TX es 5 a 10 veces mayor

802.11a vs. 802.11b An no existen equipos que interfieran en la banda que utiliza para TX 802.11a

Atheros demanda que durante el rendimiento de procesamiento verdadero, las medidas realizadas en 802.11b nunca superaron a 802.11a (en un ambiente tpico de la oficina a pesar del uso de la banda de una frecuencia ms alta - vea los diagramas en las diapositivas siguientes)

Consultar proyecto Atheros

Celdas e Interferencia Co-canal

IEEE 802.11g

IEEE 802.11g Estndar aprobado en Junio del 2003 Opera en la banda ISM de 2.4 GHz Compatible con 802.11b

Usa OFDM como tecnologa de TX

Modulacin: BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM

Data rates: 1, 2, 5.5, 6, 9, 11, 12, 18, 22, 24, 36,48, 54 Mbps

Consumo de potencia similar a 802.11b

Modo operacional Slot time=20 s / Short slot time=9 s SIFS=10 s, CWmin=15, CWmin=1023

Tasas de Tx bsicas determinadas por el AP (pueden ser mayores a 1Mbps), para tramas de administracin, control; y multicast y broadcast tramas de datos Actual throughput: 20 Mbps

Compatibilidad Slot time=20s

SIFS=10 s, CWmin=31, CWmax=1023

NAV distribution

Mecanismo de proteccin

CTS-a-si mismo / RTS / CTS, @ tasa de Tx bsica, para notificar la duracin a un mismo alcance, mejor para los terminales ocultados

Compatibilidad - DSSS-OFDM:

Trama con el prembulo y cabecera DSSS, y carga til de OFDM (ninguna necesidad de la proteccin)

Rendimiento de procesamiento real: 10 Mbps

Productos disponibles

802.11 a/b/g combo-card

AP costo $250, tarjeta costo $100 Soporta modo ad hoc

Algunas veces control de potencia Funciones de seguridad mejoradas

IEEE 802.11e

Antes de 802.11e: La MAC trataba a todos los tipos de trfico por igual Sin soporte a requerimientos de QoS (Quality of Service) IEEE 802.11e define los mecanismos para proporcionar QoS

a aplicaciones en tiempo real como voz y vdeo. Se distinguen estaciones que no utilizan los servicios QoS

(nQSTA) de aquellas que si los utilizan (QSTA).

Nueva terminologa QAP QoS Access Point QSTA QoS Station HC Hybrid Coordinator

Para soportar QoS, IEEE 802.11e introduce una tercera funcin de coordinacin, llamada HCF (Hybrid Coordination Function).

HCF es implementadp para todas QAPs y QSTAs HCF define dos nuevos mecanismos de acceso al canal:

Contention based Enhanced distributed channel access (EDCA)

Controlled channel access HCF Controlled Channel Access (HCCA)

IEEE 802.11e

Arquitectura IEEE 802.11e

CAP controlled access phase : Perodo de tiempo cuando el HC mantiene el control del medio despus de ganar acceso al medio despus de la deteccin por el canal para estar inactivo durante un tiempo PIFS

Comparcin IEEE 802.11 e IEEE 802.11e

Transmission Opportunity (TXOP)

Bajo HCF, TXOP es la unidad bsica de transmisin Tipos TXOP

EDCA TXOP Se obtiene por la QSTA ganado en una instancia de EDCA durante

el periodo de contencin (CP) HCCA TXOP

Se obtiene cuando se utiliza el canal de acceso controlado Polled TXOP

Por una non-AP QSTA recibiendo una trama QoS (+)CF-Poll durante el CP o CFP

IEEE 802.11e

4 categoras de acceso (AC) y 8 flujos de trfico (TS) Las tramas que llegan se etiquetan con un identificador de

prioridad de usuario (TID) segn necesidad de QoS. TID entre 0 y 7: mapeo a 4 AC EDCA TID entre 8 y 15: HCCA; en cola correspondiente a TS

TXOP (Transmission Opportunity): Intervalo de tiempo durante el que una estacin puede enviar sus tramas.

Enhanced Distributed Channel Access (EDCA)

EDCA define 4 Access Categories (AC) Voz Video Best Effort Background

EDCA soporta 8 valores de User Priority (UP) Valores de Prioridad (0 to 7) identicos a las prioridades de IEEE 802.11D

Reglas Un UP pertenece a una AC (Access Category) Cada AC puede contener ms de una UP Trfico de mayor UP podr ser transmitido primero dentro de un AC

IEEE 802.11e

EDCA Mejora DCF priorizando trficos. Dos formas de hacerlo: Asignar distintos IFS a las diferentes AC Asignar distintos CW a las diferentes AC

Para el primero, se define AIFS (Arbitration IFS)

AIFS[AC] = AIFSN[AC] x aSlotTime + SIFS

IEEE 802.11e

Clases AC definidas en 802.11e Dos o ms AC dentro de una

misma QSTA pueden poner a 0 su contador de Backoff en el mismo instante. Si esto ocurre, se produce una colisin interna.

Siempre que esto se produzca, la capa MAC ofrecer la oportunidad de transmisin al flujo ms prioritario, tratando el de menor prioridad igual que si se hubiera producido una colisin real.

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ACM : admission control mandatory ACI : Access category identify

EDCA Parmetros

Contenciones entre Diferentes ACs en EDCA

Contencin entre EDCAs (AC, AIFS, CWmin , CWmax ) para ganar un TXOP

Valores por defecto para cada AC AIFS[AC] = AIFSN[AC] aSlotTime + SIFS.

DIFS=2*aSlotTime +SIFS

AC AIFSN CWmin/CWmax AC_VO 2 3-7

AC_VI 2 7-15

AC_BE 3 15-1023

AC_BK 7 15-1023

IEEE 802.11e

HCCA: Similar a PCF; el coordinador se llama HC (Hybrid

Coordinator) y es siempre el AP. Los periodos CP se realizan con EDCA.

Se definen clases de trfico (TC). El HC puede coordinar el trfico como prefiera, sabiendo las clases de trfico y la longitud de las correspondientes colas.

Cuando HC sondea a una QSTA con CFPoll, sta puede mandar tramas durante TXOP.

La WiFiAlliance certifica el soporte HCCA (opcional) como WMM Scheduled Access

Ejemplos de enlaces de larga distancia

La Corporacin Aeroespacial Sueca (SSC) 2002, enlace punto a punto de 300 km en la banda de 2.4GHz entre un equipo terrestre y otro en un globo troposfrico, empleando equipos de Alvarion. No reportaron las prestaciones obtenidas.

La Red de Educacin e Investigacin en Redes Inalmbricas de

Altas Prestaciones (HPWREN), sostenida por dos universidades de San Diego, en 2002 un enlace de 116 km entre la costa continental y la Isla de San Clemente, por encima del Ocano Pacfico. Las interfaces WiFi empleadas eran comerciales, no se especifica en la informacin publicitada la marca. Tampoco reportaron las prestaciones obtenidas.


Estudiantes de la Weber University de Utah (USA) reportaron a la prensa en 2003 haber logrado un enlace de 132 km con equipamiento Cisco de la gama 350, transmitiendo 1.5W. Igualmente no reportaron las prestaciones obtenidas.

Empresas como Mikrotik, en Letonia, y no pocos proveedores de acceso a Internet, sobre todo en pases menos desarrollados en los que las redes de telefona no brindaban los recursos necesarios para el acceso a redes de datos, experimentaron en estos aos con enlaces punto a multipunto de hasta 12 km de distancia entre estaciones, y punto a punto de hasta 40 km.


Gente del mundo de las redes inalmbricas ciudadanas, empezando por Rob Flickener y continuando por mltiples equipos de diversas partes del mundo, lograron en los mismos aos enlaces punto a punto experimentales de ms de 80 km en zonas montaosas.

Grupo EHAS instal ya en 2002 un enlace permanente de 36 km en la zona andina del Cauca, en Colombia, luego enlaces de hasta 87Km en Los Andes, en los que se pretenda encontrar la razn por la que los enlaces punto a punto de tan larga distancia con material estndar slo daban caudales del orden de los 200 kbps.


Se encontr la causa, relacionada con el valor del parmetro ACKTimeout, y se realiz un primer estudio bsico del caudal obtenible en enlaces punto a punto en funcin de la distancia. Meses ms tarde un segundo estudio realizado en una red de pruebas en Los Andes peruanos permiti ampliar datos.

En la Universidad de Mrida, en Venezuela, el Prof. Pietrosmoli ha probado durante los ltimos aos con enlaces WiFi punto a punto de decenas de kilmetros, y a primeros de 2006 ha logrado un enlace de 289 km entre cadenas montaosas de Venezuela, empleando equipos WiFi convencionales con antenas parablicas.

IEEE 802.11b

IEEE 802.11g

Lmites impuestos por la capa fsica

Los lmites fsicos de distancia alcanzable con WiFi dependern, por lo tanto, de los siguientes parmetros:

La mxima potencia que podamos transmitir (PIRE). Las perdidas de propagacin. La sensibilidad de recepcin. La mnima relacin seal a ruido que estemos dispuestos a

aceptar como suficiente para obtener enlaces estables y de calidad a pesar de las fluctuaciones del medio..

Distancias alcanzables IEEE 802.11b/g

Alcance legal IEEE 802.11b/g

Lmites impuestos por la capa MAC

En ningn estndar de la familia IEEE 802.11 se imponen restricciones explicitas de distancia, pero es patente que stas existen porque los resultados lo demuestran y porque la capa MAC tiene multitud de tiempos constantes definidos que tienen diferente efecto en funcin de la distancia que haya entre estaciones. Tras una revisin cuidadosa del estndar base IEEE 802.11, se pueden extraer tres tipos de limitaciones: el temporizador de espera de los ACKs, la definicin de tiempos relacionados con el tamao de la ranura, y el calculo del NAV para la deteccin de portadora virtual.

Tp despreciable frente a la duracin de una ranura

Tp no despreciable pero inferior a la duracin de una ranura

Tp es considerable y mayor a la duracin de una ranura

Comunicaciones Inalámbricas

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