comunicaciones inalámbricas
DESCRIPTION
Comunicaciones Inalámbricas, Control de Acceso al MedioTRANSCRIPT
-
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
-
Fragmentacin de Datos (2)
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
-
Fragmentacin de Datos (3)
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
-
Fragmentacin de Datos (4)
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
-
Caractersticas Bsicas
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)
-
Caractersticas Bsicas
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
-
Otros campos de la Cabecera MAC
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)
-
Otros campos de la Cabecera MAC
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)
-
Otros campos de la Cabecera MAC
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
-
Otros campos de la Cabecera MAC
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.
-
157
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.
-
Ejemplos de enlaces de larga distancia
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.
-
Ejemplos de enlaces de larga distancia
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.
-
Ejemplos de enlaces de larga distancia
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