Estándar 802.11 para Redes Inalámbricas

General 802.11

- Desarrollada inicialmente como Ethernet inalámbrica.

- Se utilizan bandas ISM (2,4 GHz o 5 GHz) = Industrial, Scientific and Medical - MAC (Media Access Control) y PHY (nivel físico) estandarizadas por IEEE

- Usan espectro ensanchado (FH = Frequency Hopping, DSSS = Direct Sequence Spread Spectrum, OFDM = Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)

- Las capas superiores siguen 802.(y)

- Sistemas comerciales certificados antes por WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) → WiFi (Wireless Fidelity) Alliance

Punto de acceso: Puente con red cableada y conexión entre estaciones móviles.

Funcionamiento básico

En redes con infraestructura todo el tráfico se realiza a través del punto de acceso.

-Una estación móvil busca en el entorno un punto de acceso en forma pasiva (escuchando beacons) o emitiendo probes.

- Intenta asociarse al punto de acceso, que la autoriza o no

- Una vez asociada, el protocolo es CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)

Problema del nodo oculto: Una estación puede creer que el medio está libre, cuando en realidad está ocupado por otra estación a la que no oye.

> Debido a este problema, toda la comunicación utiliza RTS(Request To Send), CTS(Clear To Send), ACK(Acknowledgement)

Problema del nodo expuesto: Una estación cree que el canal está ocupado cuando en realidad lo está ocupando otra estación que no interferiría en su transmisión.

Modelo ISO

Modelo ISO -tabla-aplicacion,presentacion,sesión,transporte(tcp),red(ip),datos(802.11,Logic Link Control(LLC)),enlace(802.11,Media access control(MAC)),fisico(Spread Spectrum, Infra.red)

Las capas más bajas: MAC y PHY

- El MAC es común para todo el 802.11, se comunica mediante MPDUs (MAC Protocol Data Unit) a través de SAP (Service Access Points)

- En cuanto a PHY:

   - La subcapa PLCP (Protocolo/Procedimiento de convergencia con la capa física) se encarga de adaptar el MAC a cada tipo de PMD, generando PPDUs específicas para su PMD a partir de MPDU (y viceversa).

- La subcapa PMD (Physical Medium Dependant) hace de interfaz con el aire.

LA CAPA FÍSICA

Anchura del canal: 25 MHz, entrarían 3 sin solaparse pero hay hasta 14 canales

PLCP: subcapa de convergencia de la capa física

- Añade a los MPDU campos de cabecera y preámbulo específicos para cada tipo de PHY que contienen información necesaria para los emisores y receptores.

- La estructura de la trama resultante proporciona transferencias asíncronas entre estaciones que tienen, por lo tanto, que sincronizar su circuitería para cada trama enviada o recibida.

Funciones de la capa física

- CS/CCA: Receptor encendido sin transmitir ni recibir.

- Detección de señales entrantes: Cuando el medio está ocupado, el PLCP lee el preámbulo y la cabecera PLCP de la trama entrante.

- CCA (Clear Channel Assessment): Determina si el canal está libre u ocupado. El PLCP informa al MAC que determina cuando enviar trama.

Transmisión: El PLCP hace que el PMD envíe tramas cuando se lo indica el MAC

- Le envía el número de octetos junto con la velocidad de TX

- El PMD envía el preámbulo a la antena a la velocidad más baja del PMD (1Mbps-11 y 11bDSSS-, 6Mbps-OFDM)

- El PMD envía la cabecera a misma velocidad (preámbulos largos) o a 2Mbps (11b/g DSSS con preámbulos cortos) o 6Mbps (OFDM con 12 símbolos)

Recepción:

- Si CCA=0 y se recibe un preámbulo válido, el PLCP inspecciona la cabecera.

- Si la cabecera está libre de errores, hace que la información que contiene y los octetos que siguen hasta el final de trama sean pasados al MAC. (Admite diversidad de antenas)

PMD para 802.11

- Para 1 y 2 Mbps se utiliza codificación Barker a 11 chips/bit 0 deja igual, 1 invierte.

- Para 802.11b/g DSSS usa CCK (Complementary Code Keying) -> (8 bits/símbolo)

WLAN NIC

Network Interface Controller: adaptador de red, interfaz de conexión entra dispositivos

El PHY para DSSS: 802.11 y 802.11b de preámbulo largo

- El preámbulo y la cabecera a 1Mbps con codificación Barker y DBPSK (Differential Binary Phase-Shift Keying)

- La MPDU a la velocidad fijada por el MAC

El PHY para DSSS: 802.11b de preámbulo corto

- Preámbulo 72 bits a 1 Mbps

- Cabecera 48 bits a 2 Mbps

- Signal: 8 bits indican velocidad de PSDU(physical layer data unit)

• Service : 8 bits, adecuación con 802.11b

• Length: 16 bits, longitud a pasar al MAC

• CRC: Cyclic Redundancy Check

El PHY para ERP-OFDM: 802.11a y 802.11g

ERP = Extended Rate Physical

- El preámbulo y la cabecera a 6Mbps y BPSK

- Los datos a la velocidad fijada por SIGNAL (Rate subfield).

El PHY para DSS-OFDM: 802.11g de preámbulo largo

- El preámbulo y la cabecera a 1Mbps y DBPSK

- Los datos a la velocidad fijada por SIGNAL.

El PHY para DSS-OFDM: 802.11g de preámbulo corto

- El preámbulo a 1Mbps (DBPSK) y la cabecera a 2Mbps (DQPSK)

- Los datos a la velocidad fijada por SIGNAL.

El PHY para DSS-OFDM: 802.11g - Formato de trama

El idéntico a las PPDU de ERP-OFDM (11a)

El MAC

Detección de portadora y NAV

Para poder transmitir una estación debe esperar hasta que el canal quede libre. Ello ocurre cuando:

- En periodo de contienda DCF, no hay señal en el canal (CS real) y se sabe que las transacciones en curso han acabado (CS virtual). Para saber la duración de las transacciones en curso, con el RTS se manda una estimación de la duración en cada transmisión (NAV o Network Allocation Vector) que se actualiza en cada transmisión atómica de la transacción

- Cuando el punto de acceso actúa como “Punto Coordinador” y establece un periodo en el que no está permitida la contienda. Él atiende a las estaciones mediante “polling”. Hay un periodo DCF obligatorio.

Tiempos intertramas

Tiempos que deben estar el medio sin señal antes de iniciar la transmisión.

SIFS (Short Interframe Space): Espera entre transmisiones de operaciones atómicas de alta prioridad (RTS/CTS,ACK...)

PIFS (PCF Interframe  Space): Usado por  el punto de acceso  para espera entre transmisiones en el periodo sin contienda.

DIFS (DCF Interframe Space): Espera mínima entre transmisiones con contienda.

EIFS (Extended Interframe Space): Tiempo para recuperación cuando hay error de transmisión.

CSMA/CA y DCF

- CA significa evitar colisiones. Se hace mediante backoff

- Hay dos tipos de inductores de backoff.

• Externo: Señal en el canal

• Interno: Vector de ocupación de la red (NAV)
  

- Cada trama emitida por una estación lleva una estimación de la duración de la transacción (NAV) Las estaciones a la escucha se inhiben durante ese periodo. Después dejan un tiempo DIFS (mínimo espacio para iniciar transmisión de DCF) e inician intentos de acceso con retardos 1,2,4,15… “slots de transmisión”

DCF y energía

- Las estaciones pueden desconectarse periódicamente para ahorrar energía.

- Las tramas dirigidas a estaciones “dormidas” se tienen que almacenar en el PA (Punto de acceso)

- Los beacon de los PA indican qué estaciones tienen tramas almacenadas.

- Cuando se encienden emiten un PS-Poll al PA y éste les contesta con un ACK. Luego, las va atendiendo según una lista de tramas almacenadas (TIM= Traffic Infication Map) de forma inmediata o alternada.