El estándar IEEE 802.11n y sus comienzos.

Iván Bautista Moreno

Índice1. Introducción 1

2. Comienzo del estándar IEEE 802.11 12.1. Introducción del IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2. IEEE 802.11 legacy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3. IEEE 802.11 a y IEEE 802.11 b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.4. IEEE 802.11 g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3. El estándar IEEE 802.11n 43.1. Objetivos del estándar 802.11n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.2. ¿Qué es el sistema MIMO-OFDM? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

I

1. IntroducciónLas tecnologías de comunicaciones evolucionan día a día vertiginosamente, prin-

cipalmente debido a las crecientes necesidades demandadas por parte de los usuariosy servicios. Así, nuevos estándares surgen y otros son mejorados, para cubrir nue-vos escenarios: comunicaciones en movimiento, mayores distancias, mayores tasas detransferencia, etc. A priori, dentro del espectro de tecnologías actuales, Bluetoothy WiFi están diseñadas para soportar redes personales y locales, mientras que lastecnologías celulares junto con WiMAX pretenden cubrir áreas metropolitanas demayor extensión. La competencia entre los distintos fabricantes de equipos y pro-veedores de servicios hace que se ideen nuevas soluciones para cubrir los requisitosantes citados y lograr mayor cuota mercado.

2. Comienzo del estándar IEEE 802.11

2.1. Introducción del IEEE 802.11En el IEEE 802.11 WLAN estándar definido en 1997 tiene el objetivo de propor-

cionar acceso inalámbrico a la redes de área local (LAN). Al igual que el resto de losestándares IEEE 802, el estándar se centra en los dos niveles inferiores del modeloOSI: capa física y capa de enlace de datos, como muestra la Figura 1.

Figura 1: Capas del modelo OSI

Capa física La capa física tiene como finalidad transportar correctamente la señalque corresponde a 0 y 1 de los datos que el transmisor desea enviar al receptor. Estacapa se encarga principalmente de la modulación y codificación de los datos. Sedivide en dos subcapas: PMD y PLCP:

La subcapa PMD (Physical Medium Dependant) se ocupa de la modulación yde la aplicación de técnicas de espectro ensanchado de la señal. Las técnicasde modulación usadas son:

• FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum –espectro esparcido por sal-to de frecuencia–) FHSS se basa en el concepto de transmitir sobre unafrecuencia por un tiempo determinado, después aleatoriamente saltar a

1

otra, ej.: La frecuencia portadora cambia durante el tiempo o el transmi-sor cambia periódicamente la frecuencia según una secuencia preestable-cida.

• DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum –espectro esparcido por secuen-cia directa–) El DSSS implica que para cada bit de datos, una secuenciade bits (llamada secuencia seudoaleatoria, identificada en inglés comoPN) debe ser transmitida. Cada bit correspondiente a un 1 es substituidopor una secuencia de bits específica y el bit igual a 0 es substituido porsu complemento.

• OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing –modulación pordivisión de frecuencias ortogonales–) OFDM, algunas veces llamada mo-dulación multitono discreta (DMT) es una técnica de modulación basadaen la idea de la multiplexación de división de frecuencia (FDM). La ex-plicaremos con mayor detalle en el apartado 3.2.

La subcapa PLCP (Physical Layer Convergent Procedure) se encarga de acondicio-nar las tramas que provienen de la capa MAC para su envío a través del medio radio,añadiéndoles un preámbulo y una cabecera.

Capa de enlace La capa de transmisión de datos de 802.11, se compone de dospartes:

1. Control de acceso al medio (MAC)

2. Control lógico del enlace (LLC)

La subcapa LLC de 802.11 es idéntica a la de 802.2 permitiendo una compatibi-lidad con cualquier otra red 802, mientras que la subcapa MAC presenta cambiossustanciales para adecuarla al medio inalámbrico. La subcapa MAC (L2) es comúnpara varios de los estándares 802.11, y sustituye al estándar 802.3 (CSMA/CD –Ethernet) utilizado en redes cableadas, con funcionalidades especificas para radio(los errores de trasnmisión son más frecuentes que en los medios de cobre), comofragmentación, control de error (CRC-Cyclic Redundancy Check), las retransmisio-nes de tramas y acuse de recibo, que en las redes cableadas son responsabilidad delas capas superiores.

2.2. IEEE 802.11 legacyEsta fue la primera versión desarrollada en 1997 y nombrada como estándar

IEEE 802.11 o IEE 802.11 legacy y se caracterizaba por:

Banda de los 2.4 GHz

De todas las técnicas de modulación de espectro ensanchado disponibles seeligió la secuencia directa (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum) en lugarde saltos de frecuencia (FHSS, Frecuency Hopping Spread Spectum) ya queesta última no cumplía las regulaciones impuestas por la comisión federal decomunicaciones FCC.

2

Estándar Frecuencia Velocidad Distancia802.11a 5 GHz 54 Mbps 10 m802.11b 2.4 GHz 11 Mbps 100 m802.11g 2.4 GHz 54 Mbps 100 m

Tabla 1: Comparaciones de 802.11a/b/g

Tasa de transferencias de 1Mbps hasta los 2 Mbps

Y la capa de acceso al medio (MAC ):

CSMA/CA (Carrier Sense, Multiple Access Collision Avoidance), que especi-ficaba el control de acceso al medio mediante la detección de portadoras paraevitar colisiones.

Pero esta versión no se llevó a cabo ya que poco después aparecieron la 802.11a yla 802.11b

2.3. IEEE 802.11 a y IEEE 802.11 bAmbas de 1999 surgieron de la motivación de aumentar la velocidad, así apare-

cieron mejoras de la capa física como:

802.11a :

• Se empleó la banda de los 5 GHz• Modulación OFDM• Hasta 54Mbps

802.11b:

• Siguió en la banda de los 2.4 GHz• Utilizó modulaciones como DPSK, BPSK o QSPK

Ambas utilizaban como acceso al medio el estándar del CSMA/CA.

2.4. IEEE 802.11 gFue la siguiente revisión, en 2003, del estándar que introdujo cambios en la capa

física, y se define como una mezcla de las dos anteriores (802.11a y 802.11b). Sepuede resumir según algunos documentos como una expasión del 802.11a a la bandade los 2.4 GHz y una modulación OFDM, además de una interoperabilidad con losdispositivos de tecnología 802.11b.

3

3. El estándar IEEE 802.11nAunque la tasa máxima de transmisión de datos es de 50 Mbps, el rendimiento

neto obtenido es sólo del 60% por tanto, para aumentar el rendimiento para intentarigualarlo a Ehternet, en enero del 2004 se formó el GRUPO DE TAREAS ’n’ (TaskGrop N) . Analizaron muchas propuestas de las cuales dos lucharon por convertirseen el estandar como son:

1. WWiSE (WorldWide Spectrum Efficiency) apoyado por Texas Instruments,Broadcom, Conexant, STMicro, Airgo y Bermai, continúa con la compatibili-dad hacia atrás con el canal de 20 Mhz.

2. TGn Sync, apoyado por Cisco, Intel, Nokia, Nortel, Phillips y Sony entre otros,planea emplear el canal de 40Mhz.

Proponían utilizar la tecnología MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), la cualofrece mediante la utilización de varias antenas (ver figura 3b) transmitir varios flujosde datos independientes al mismo tiempo para incrementar la eficiencia del espectro,también conocido como Multiplexado Espacial además el estándar IEEE 802.11nutiliza codificación OFDM. El sistema está categorizado como MIMO-OFDM.

3.1. Objetivos del estándar 802.11nLos objetivos de la 802.11n son:

Mayor throughput

Mayor rango de alcance (Ver figura 2)

Más capacidad a la red

Poco consumo eléctrico

Uso eficiente del espectro

Compatibilidad con equipamiento 802.11a/b/g

Coexistencia de redes

Figura 2: Diferencia 802.11g y 802.11n en el rango de alcance

4

3.2. ¿Qué es el sistema MIMO-OFDM?El principal objetivo del sistema 802.11n es lograr una mayor velocidad de trans-

misión de datos en un canal de desvanecimiento multitrayecto. Una de las formassugeridas en el estándar 802.11n es el uso de la tecnología MIMO-OFDM.

¿Qué es el sistema MIMO-OFDM? El aumento de la demanda en la velocidadde transmisión de datos en los sistemas de acceso inalámbrico requiere un aumentode ancho de banda y tasa de señalización. A medida que el ancho de banda aumenta,la distorsión o frecuencia de desvanecimiento se va convirtiendo en un obstáculo.

En el canal multitrayecto se produce la superposición de los distintos símbolosde transmisión en el receptor. Esto se conoce como ISI, que, si se deja sin solución,las tasas de error serían muy elevadas.

Una de las soluciones para el problema del ISI es el uso de la técnica OFDM,propuesto por Bingham en 1990, donde los sistemas OFDM consiste en enviar unconjunto de ondas portadoras de diferentes frecuencias, donde cada una transportainformación, la cual es modulada en QAM o en PSK.

La tecnología MIMO, para aumentar la velocidad de transmisión de datos enel canal multitrayecto, se utiliza junto con OFDM. Esto se conoce como MIMO-OFDM y la tecnología se utiliza en sistemas de 802.11n. Se puede podría decir queson, “múltiples e independientes arroyos que transmiten simultáneamente para au-mentar la velocidad de transmisión de datos”.

Por tanto, en una transmisión a velocidades elevadas, la característica multitra-yecto del entorno causado por el canal MIMO presentará selectividad en frecuencia.OFDM puede transformar un canal MIMO selectivo en frecuencia, en un conjunto decanales paralelos y planos en frecuencia, lo cual reduce la complejidad del receptor.

A tener en cuenta... En MIMO-OFDM, es muy importante tener cuidado conlos siguientes aspectos relacionados al empleo de esta técnica:

Sincronización

Efecto de cresta

Estimación de canal

Intervalo de guarda

Sensibilidad.

La sincronización temporal es utilizada para encontrar el inicio del símbolo y lasincronización en frecuencia es usada para encontrar cada una de las posiciones delas sub-portadoras, por tanto dada la compleja estructura de MIMO-OFDM, estase torna bastante crítica.

5

(a) Router 802.11 b/g (b) Router 802.11 n

6

Referencias[1] IEEE Sección España

[2] IEEE - The world’s largest professional association for the ...

[3] http://es.kioskea.net/contents/wifi/wifiintro.php3

[4] http://www.virusprot.com/Wifi-802.11n-articulo.htm

[5] http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/archundia_p_fm/capitulo8.pdf

7