Espacio entre tramas

Enviado por Programa Chuletas y clasificado en Informática y Telecomunicaciones

Escrito el 19 de Mayo de 2016 en español con un tamaño de 19,6 KB

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) es el nombre comercial de un grupo de tecnologías inalámbricas que emergieron de la familia de estándares WirelessMAN.

Carácterísticas servicio: Capa física basada en OFDM:

Esta modulación se caracteriza por dividir la señal de banda ancha en un número de señales de banda reducida. La modulación OFDM es un caso especial de modulación multiportadora, en donde múltiples datos son transmitidos de forma paralela utilizando diferentes subportadoras con banda de frecuencias solapadas ortogonalmente. Una carácterística de OFDM, es el superar los problemas de propagación que presenta el NLOS. Las señales OFDM tienen la ventaja de ser capaces de operar con retardos de la propagación en los entornos NLOS y de ser un esquema muy robusto frente al multitrayecto, atenuaciones e interferencias. Además de tener la capacidad de poder operar con un retardo de ensanchamiento más grande en el ambiente NLOS.

Grandes picos de tasas de datos:

WiMAX es capaz de soportar elevados picos de tasa de datos. De hecho, las velocidades que puede alcanzar la capa física (PHY) llegan a ser de 74 Mbps cuando opera con un espectro de frecuencia de 20 MHz de ancho de canal.

Escalabilidad en el ancho de banda y la tasa de datos soportada:

WiMAX tiene una arquitectura de capa física escalable, lo que permite que la tasa de datos sea escalable con la disponibilidad de ancho de banda en los canales.

Modulación y codificación adaptativa

WiMAX soporta un número de esquemas de modulación y de mecanismos de corrección de errores (FEC) y permite que el esquema sea cambiado por usuario y por estructura básica, basada en las condiciones del canal.

Retransmisiones en la capa de enlace:

Para las conexiones que requieren una alta fiabilidad, WiMAX soporta ARQ (Automatic Retransmission Request) protocolo utilizado para el control de errores en la transmisión de datos, garantizando la integridad de los mismos en la capa de enlace.

Soporta multiplexaciones en tiempo (TDD) y en frecuencia (FDD):

En los estándares IEEE 802.16d y 802.16e se soporta tanto Time División Dúplex (TDD) como Frequency División Dúplex (FDD), y permite un modo Half Dúplex FDD (HD-FDD), lo que permite una implementación de bajo coste del sistema.

Acceso Múltiple por División de Frecuencia Ortogonal (OFDMA):

El estándar del 802.16e (WiMAX móvil) usa OFDMA, el cual es similar a OFDM puesto que divide la señal en múltiples subportadoras. OFDMA, sin embargo, va un paso más allá, agrupando subportadoras en subcanales.

Soporta técnicas avanzadas de antenas:

WiMAX permite el uso de técnicas basadas en múltiples antenas como Beamforming, codificación espacio-tiempo, y multiplexación. Estos esquemas pueden ser usados para mejorar la capacidad total del sistema y su eficiencia espectral mediante el uso de múltiples antenas en el transmisor y/o receptor.

Soporta calidad de servicio (QoS):

La capa MAC de WiMAX es orientada a conexión, diseñada para admitir una variedad de aplicaciones, incluyendo servicios multimedia y de voz. El sistema soporta tasas de bit constantes y tasas de bit variables, soporta flujos de tráfico en tiempo real, así como los que no lo son. WiMAX está diseñado para soportar un gran número de usuarios, con múltiples conexiones por terminal, cada uno con sus propios requisitos de calidad del servicio.

Seguridad robusta:

WiMAX admite una fuerte encriptación usando AES que es un esquema de cifrado por bloques, y tiene un protocolo robusto de privacidad y de gestión de claves. Además, el sistema ofrece una arquitectura muy flexible de autentificación basado en el protocolo EAP.

Soporta movilidad

La variante móvil de WiMAX tiene un mecanismo para soportar traspasos seguros y ahorro de energía para alargar la duración de las baterías de los dispositivos portátiles. También se añaden mejoras en el nivel físico como una estimación más frecuente del canal, subcanalización del enlace de subida, y control de energía.

Arquitectura basada en IP:

El WiMAX Fórum ha definido una arquitectura de red basada en plataformas IP.

Capa Física de WiMAX

La capa física de WiMAX se basa en la multiplexación por división ortogonal en frecuencia (OFDM). OFDM es un esquema de transmisión que nos permite la transmisión de datos de alta velocidad, video, y comunicaciones multimedia. OFDM es un esquema eficiente para transmisión de elevadas tasas de datos en entornos sin visión directa y con distorsión multitrayecto. OFDM pertenece a una familia de esquemas de transmisión llamada modulación multiportadora, el cual se basa en la idea de dividir un determinado flujo de datos en varios flujos y modular cada flujo con portadoras distintas (llamadas subportadoras). Los esquemas de modulación multiportadora minimizan la interferencia intersímbolo (ISI) haciendo que la duración en el tiempo del símbolo transmitido sea lo suficientemente larga como para que el retraso introducido por el canal sea una insignificante fracción de la duración del símbolo.

Modulación y codificación en WiMAX

WiMAX soporta una variedad de esquemas de modulación y codificación que permite
que el esquema cambie en cada ráfaga básica, dependiendo de las condiciones del canal. La estación base puede medir la calidad del enlace ascendente y descendente de cada usuario, y así asignarle una modulación y una codificación que maximice la tasa de transferencia para la proporción señal/ruido disponible. Por tanto la modulación y codificación adaptativa incrementan significativamente la capacidad de todo el sistema, y permite la compensación en tiempo real entre la tasa de transferencia y la robustez de cada enlace.

Capa de Control de Acceso al Medio en WiMAX

La principal tarea de la capa MAC de WiMAX es la de proporcionar una interfaz entre la capa de transporte y la capa física. La capa MAC toma los paquetes de la capa inmediatamente superior, estos paquetes se llaman MAC Service Data Units (MSDUs), y los organiza dentro de los paquetes denominados MAC Protocol Data Units (MPDUs) para transmitirlos por el aire. Para la recepción la capa MAC hace lo mismo pero en orden inverso. La capa MAC que es la encargada de coordinar el acceso al medio está compuesta de 3 subcapas:
1. Subcapa MAC de convergencia (CS): Es la encargada de adaptar las unidades de datos de protocolos de alto nivel al formato MAC SDU y viceversa. Es decir se encarga de transformar los datos de las redes externas y pasarlos a la subcapa MAC común convertidos en unidades de datos del servicio o SDU (Service Data Units), que son las unidades de datos que se transfieren entre capas adyacentes. Se encuentra sobre la subcapa MAC común y utiliza los servicios proveídos por ésta. También se encarga de clasificar las SDUs de la MAC entrantes a las conexiones a las que pertenecen.
2. Subcapa MAC común (MAC CPS): Es el núcleo de la toda la capa MAC, provee los servicios de acceso al sistema, asignación de ancho de banda, establecimiento y mantenimiento de la conexión y se establecen las unidades de datos de protocolo o PDU (Protocol Data Units). También se encarga de hacer el intercambio de la unidad de servicios de datos de la capa MAC (SDU) con la capa de convergencia. Esta subcapa se encuentra fuertemente ligada con la capa de seguridad. En esta subcapa se prestan los servicios de planificación que representan los mecanismos de manipulación de datos soportados por el planificador de la MAC para el transporte de datos en una conexión, cada una de las cuales está asociada a un solo servicio de datos el cual a su vez, está asociado a unos parámetros de QoS que son quienes determinan su comportamiento

3. Subcapa MAC de seguridad: Presta los servicios de autenticación, intercambio seguro de claves y cifrado. Permite proveer a los usuarios un servicio de banda ancha seguro a través de su conexión fija mediante el cifrado de las conexiones, y al operador protegerse contra las conexiones no autorizadas forzando el cifrado. La subcapa de seguridad es la encargada de la autentificación, establecimiento de claves y encriptación. Es en el a donde se realiza el intercambio de los PDUs de la MAC con la capa física.

La subcapa TC da formato a los bits captados por la subcapa PM para adaptarlos al protocolo utilizado (normalmente SDH, Synchronous Digital Hierarchy). También se ocupa de generar el HEC y de la detección de los límites de las celdas por el método de alineación de celdas mediante el campo HEC. Sutilitza l HEC:Es comprova, per a cada 40 bits, si lHEC és vàlid. Si no ho és desplaça 1 bit; si ho és es decideix que és una capçalera i que sha sincronitzat el sistema.

Fundamentos de ATM: ATM proporciona una serie de ventajas con respecto a otros métodos de transmisión:flexibilidad a cambios futuros,uso eficiente de los recursos disponibles (ancho de banda),red universal.

Las principales carácterísticas de ATM son las siguientes:No hay control de flujo ni recuperación de errores. Aunque se exige a la red una probabilidad de pérdida de paquetes inferior a 10^-12. Esta probabilidad de error se alcanza mediante el uso de cableado de alta fiabilidad (como la fibra óptica), una correcta gestión de los recursos disponibles, y un adecuado dimensionamiento de las colas. ATM opera en modo conexión.

La sobrecarga de información de la cabecera es baja, con lo que se consiguen velocidades de conmutación muy altas. Las funciones de la cabecera se reducen a:

identificación de la conexión a la que pertenece cada paquete,

conmutación de paquetes,

multiplexación de varias conexiones por un único enlace,

detección y corrección de errores.

El campo de información (payload
) es pequeño para poder reducir el tamaño de las colas en el conmutador, disminuyendo el retardo de los paquetes.

Paquetes de longitud fija, llamados celdas, lo que simplifica la conmutación de datos.

2 Campos de una celda ATM

Una celda ATM está formada por 53 bytes: 5 bytes de cabecera y 48 bytes de datos. Son estructuras de datos de 53 bytes compuestas por dos campos principales:

Header, sus 5 bytes tienen tres funciones principales: identificación del canal, información para la detección de errores y si la célula es o no utilizada. Eventualmente puede contener también corrección de errores y un número de secuencia.
Payload, tiene 48 bytes fundamentalmente con datos del usuario y protocolos AAL que también son considerados como datos del usuario. Campos

Ejercicio 3: En un edificio se han instalado tres redes de área local conectadas entre sí, tal como muestra la figura. La red LAN2 es una red de anillo de testimonios de longitud de anillo 500 m y 16 Mbit/s de tasa de transmisión. Los puentes están conectados a una distancia de 250 m entre sí sobre la red de anillo. Las redes LAN1 y LAN3 son del tipo Ethernet 10BASE-T de 100 m de longitud. Los puentes almacenan y reenvían las tramas. Las estaciones origen y destino están situadas en los extremos de cada red y no existen más estaciones conectadas. Las estaciones utilizan un protocolo con confirmación, es decir, no envían un nuevo paquete hasta que han recibido la confirmación del anterior. La longitud de los paquetes es de 1000 B. Se pide:

Calcula la tasa de transmisión efectiva en el mejor y el peor de los casos
Propón una mejora del protocolo, manteniendo la fiabilidad que permita aumentar la tasa de transmisión efectiva

Datos: testigo único, velocidad de propagación = 2·10⁸, una estación envía y la otra recibe.

a) Primero examinamos el mejor caso, que se producirá cuando los puentes conectados a la LAN2 tengan el testigo o esté justo por llegar, por lo que no deben esperar. Para hallar la tasa de transmisión efectiva calculamos en primer lugar el tiempo total de transmisión de un paquete y la recepción de su confirmación.

Calculamos el tiempo de propagación de las redes Ethernet 10BASE-T:

Calculamos el tiempo de propagación de la red de anillo:

Calculamos el tiempo de transmisión del paquete en la red Ethernet:

Calculamos el tiempo de transmisión del paquete en la red de anillo:

Ahora podemos hallar el tiempo total, que es el tiempo total que tarda el paquete de datos más el tiempo total del ACK:

Entonces:

Por lo tanto, la tasa de transmisión efectiva en el mejor caso es:

Ahora hacemos lo mismo pero con el peor caso, que se produce cuando los puentes acaban de soltar el testigo justo en el momento previo a que quieran transmitir y por ello deben esperar a que el testigo de la vuelta entera al anillo.

En primer lugar calculamos el tiempo de espera del testigo:

Ahora, con los datos obtenidos previamente, podemos obtener la solución:

Entonces:

Por lo tanto, la tasa de transmisión efectiva en el peor caso es:

b) Una posible mejora del protocolo consistiría en que en lugar de enviar un ACK por cada paquete recibido, se envíe al recibir X paquetes, ya que de esta manera la eficiencia será mayor debido a que si la estación debe esperar la confirmación de recepción por cada paquete el tiempo que espera hasta enviar el siguiente es bastante elevado, y de esta forma la espera se reduce considerablemente, pese a que cuando haya algún paquete erróneo se tardará más en recuperarlo.

Ejercicio 4: Considera una red que utiliza multiplexación temporal TDM como mecanismo de control de acceso al medio. Supón que las tramas de datos que transmiten las estaciones son de longitud P, que existen N nodos en la red, que L es la longitud entre los puntos más alejados y que la tasa de transmisión es de R Mbps. Calcula la tasa de transmisión efectiva. ¿Qué sucede si el número de nodos es elevado o la distancia máxima entre nodos es muy grande?

Datos: velocidad de propagación = 2·10⁸

Si utilizamos multiplexación TDM el tiempo de transmisión de cada estación debe ser como mínimo el tiempo necesario para transmitir el paquete de longitud L, por tanto el tiempo de la ranura temporal será:

Si ahora tenemos en cuenta los N nodos, y que hay que esperar N-1 ranuras temporales para transmitir de nuevo, nos queda una tasa de transmisión efectiva:

Si el número de nodos es elevado o la distancia máxima entre ellos es muy grande, la tasa de transmisión efectiva se reducirá en gran medida, como puede observarse en la fórmula hallada.

Ejercicio 5: Un fabricante de equipos de comunicaciones ha decidido implementar una red de área local con tecnología sin cables compatible a nivel MAC con el estándar IEEE 802.3. Para hacerlo ha diseñado una serie de tarjetas de red preparadas con equipos de transmisión y recepción vía radio y una estación base (repetidor). El funcionamiento de la mencionada red consiste en que las estaciones transmiten su información utilizando una portadora analógica de frecuencia F1 y la reciben sobre una portadora de frecuencia F2. La estación base es la encargada de recibir los datos que los equipos transmiten sobre F1 y transferirlos, sin ningún tipo de modificación sobre la portadora de frecuencia F2. La propia estación base es la que detecta las colisiones (más de una transmisión simultánea sobre la portadora F1) envía una señal de colisión sobre la portadora F2. A partir de esta descripción y con los siguientes datos:

Velocidad de propagación = 300.000 Km/s

Tasa de transmisión = 11 Mbps

Trama mínima IEEE 802.3 = 64 Bytes

Trama máxima IEEE 802.3 = 1518 Bytes

Las estaciones necesitan 0,1 ms para detectar si el canal está ocupado

Las estaciones necesitan una media de 10 ms para comenzar a transmitir una trama (sin colisión) en situaciones de tráfico elevado.

La estación base genera un retardo de propagación de 0,01 ms

Se pide:

¿Cuál es la distancia máxima entre una estación y la estación base? Considera que todas las estaciones están a la misma distancia de la estación base.
¿Cuál es la tasa máxima de transmisión efectiva que puede alcanzar una estación? Considera que no hay tráfico en la red.
¿Cuál es la tasa máxima de transmisión efectiva que puede alcanzar una estación? Considera que hay tráfico elevado en la red.
¿Cuál es la tasa máxima de transmisión efectiva que puede alcanzar una estación? Considera que no hay tráfico en la red y que las tramas contienen 8 bytes de datos.

a) Para hallar la distancia máxima entre una estación y la estación base, debemos recordar que en el protocolo CSMA/CD el tiempo de transmisión de la trama mínima debe ser igual o mayor que el tiempo de propagación entre las estaciones más alejadas multiplicado por 2.

Calculamos el tiempo de transmisión de la trama mínima:

Calculamos el tiempo de propagación, el cual es dos veces el tiempo de propagación entre una estación y la estación base sumado con el tiempo de propagación en dicha estación base:

Para hallar la distancia máxima entre una estación y la estación base, debemos aplicar la regla de que el tiempo de transmisión de la trama mínima debe ser igual o mayor que el tiempo de propagación entre las estaciones más alejadas multiplicado por 2:

Por lo tanto, la distancia máxima es:

b) Para la tasa de transmisión efectiva se utilizarán tramas de longitud máxima dado que la mayor velocidad se obtiene cuando las tramas son de longitud máxima. Sabiendo que el tiempo de acceso es 0,1 ms y que la velocidad de transmisión son 11 Mbps, obtenemos que el tiempo empleado para cada trama es de:

Por lo tanto, en un segundo se podrán transmitir:

Entonces la tasa máxima de transmisión efectiva que puede alcanzar una estación en caso de que no haya tráfico en la red es de:

c) Lo calculamos igual que el caso anterior, pero en este caso el tiempo de acceso cuando el tráfico es elevado es de 10 ms, por lo tanto:

Por lo tanto:

d) Lo calculamos igual que en los apartados anteriores, pero el tiempo de acceso son 0,1 ms, y los bytes de datos son 8: