Fonaments de les Xarxes Sense Fils 802.11 (Wi-Fi)

Introducció a 802.11 i Wi-Fi Alliance

La Wi-Fi Alliance és un consorci de fabricants de *hardware* i *software* amb l'objectiu de promoure l'ús de tecnologia 802.11 i vetllar per la seva interoperabilitat. Per això, la Wi-Fi Alliance ha definit un procés de certificació, de manera que qualsevol fabricant pot sotmetre a prova els seus productes i, si la superen, podran posar el segell corresponent. Els requisits de certificació de la Wi-Fi Alliance no coincideixen exactament amb la norma 802.11. Algunes funcionalitats (opcionals) de 802.11 no s'exigeixen en la certificació Wi-Fi i, en alguns casos, s'exigeixen funcions addicionals, sobretot per a garantir aspectes d'interoperabilitat i seguretat. En alguns casos, la Wi-Fi Alliance s'avança al comitè 802.11 certificant productes basant-se en esborranys de l'estàndard, com ha succeït amb 802.11n.

Elements d'una Xarxa 802.11

Una xarxa 802.11 està formada per dos tipus d'elements:

Punts d'Accés (Access Point, AP)

Són els encarregats de donar servei als usuaris. Cada punt d'accés abasta una àrea de cobertura, la forma i mida de la qual depèn de la potència, tipus i orientació de la seva antena, l'estructura de l'edifici, els obstacles presents, etc. L'AP pot estar connectat a una xarxa de cable, normalment Ethernet. En aquest cas, actua com a pont transparent.

Estacions

Són les interfícies sense fils dels equips d'usuari, que poden ser ordinadors, PDA, *tablet PCs*, telèfons, *e-books*, etc.

Tipus de Xarxes 802.11

Xarxes Ad Hoc

No hi ha punts d'accés (APs), només estacions que es comuniquen directament entre si. El canal de ràdio s'ha de configurar manualment en cada equip.

Xarxes d'Infraestructura

Tenen un o més APs. En l'AP, el canal es configura manualment; en les estacions, se sintonitza automàticament. Poden ser de dos tipus:

BSS (Basic Service Set)

Està format per un AP i la seva àrea de cobertura.

ESS (Extended Service Set)

És un conjunt de dues o més BSS, és a dir, dos o més APs, interconnectats d'alguna forma a nivell 2.

DS (Distribution System)

La xarxa que els interconnecta s'anomena DS (Distribution System). Els APs actuen com a ponts transparents traductors entre 802.11 i altres xarxes 802.x (normalment x=3).

Format de Trama 802.11

• Versió: Permet la coexistència de diverses versions del protocol.
• Tipo: Indica si es tracta d'una trama de dades, de control o de gestió.
• Subtipo: Indica, per exemple, si és una trama RTS o CTS.
• Cap a/Des del DS: Indica si la trama va dirigida cap a o té el seu origen en el DS.
• MF (More Fragments): Indica que segueixen més fragments.
• Reintent: Indica que aquesta trama és un reenviament.
• Pwr (Power Management): Per a dormir o despertar una estació.
• Més (More Data): Adverteix que l'emissor té més trames per enviar.
• W (WEP): La trama està encriptada amb WEP (*Wireless Equivalent Privacy*).
• O (Order): Les trames que tenen actiu aquest bit s'han de processar en ordre.
• Durada: Diu quant de temps estarà ocupat el canal per aquesta trama.
• Adreça 1, 2, 3, 4: Indica adreça d'origen i destí i, si cal, les dels APs intermedis.
• Seq (Sequence Control): Número de seqüència (quan la trama és un fragment).

Protocol MAC 802.11

El protocol MAC depèn del mode de funcionament. Hi ha dues possibilitats:

Mode DCF (Distributed Coordination Function)

Similar a Ethernet, no hi ha un control centralitzat de la xarxa; les estacions i els APs són iguals. Així funcionen les xarxes *ad hoc* i la majoria de les xarxes d'infraestructura. El seu suport és obligatori en l'estàndard 802.11.

Mode PCF (Point Coordination Function)

Només pot usar-se en xarxes d'infraestructura (amb APs). L'AP controla totes les transmissions i assigna torns a les estacions (funcionament tipus *token ring*). No forma part del conjunt d'estàndards de la Wi-Fi Alliance i la seva implementació en 802.11 és opcional. L'únic producte del mercat que l'implementa és l'AP WarpLink AOI-706 d'AOpen.

Mode DCF (Distributed Coordination Function)

En mode DCF (Distributed Coordination Function), pot haver-hi contenció (col·lisions, diverses transmissions simultànies). Per evitar-les, s'utilitza una variant d'Ethernet anomenada CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance). No pot usar-se CSMA/CD (Ethernet) perquè la interfície de ràdio, una vegada comença a transmetre, no pot detectar si hi ha altres emissions en el mateix canal (no pot distingir el seu senyal del de les altres estacions). Tots els enviaments són confirmats mitjançant ACK. Si en Joan envia una trama a n'Aina, ha d'enviar-la a l'AP, que la reenviarà. La cel·la sempre funciona *half-duplex*; només hi ha un canal de ràdio compartit per tots. L'enviament d'en Joan a n'Aina requereix quatre enviaments de ràdio. Si en Joan envia una trama a un destí remot (fora de la cel·la), l'AP s'encarrega d'enviar-la pel DS (dos enviaments de ràdio).

Camp Durada i NAV (Network Allocation Vector)

Indica durant quants microsegons estarà ocupat el canal per la transmissió d'aquesta trama. Ho calcula l'emissor a partir de la velocitat de transmissió i la longitud de la trama. Inclou també el temps estimat que tardarà a rebre l'ACK. Totes les altres estacions de la cel·la reben aquesta informació (l'emissió en el canal de ràdio és *broadcast*).

Amb AP: Cada estació manté un comptador de temps retrospectiu anomenat NAV (Network Allocation Vector) que indica el temps que queda perquè el canal quedi lliure. El NAV s'actualitza amb el valor del camp durada que apareix en cada trama emesa per alguna estació en la cel·la, excepte si el nou NAV és més petit que el que ja existia, cas en què s'ignora. Una estació mai intentarà transmetre mentre NAV > 0.

Eficiència en Xarxes Ad Hoc vs Infraestructura

*Ad hoc*: En aquest cas, els enviaments són sempre directes, d'emissor a receptor. Els ACK s'envien igualment. L'enviament entre estacions de la mateixa cel·la de la xarxa *ad hoc* és més eficient, ja que només es realitzen la meitat dels enviaments (només dos per trama). Per evitar col·lisions, s'usa el mecanisme de NAV.

Mecanisme CSMA/CA Pas a Pas

CSMA/CA:

Quan una estació vol enviar una trama:

1. Espera que el canal estigui lliure i que NAV = 0.
2. Tria un valor aleatori (*backoff counter*) entre 0 i *n*. *n* depèn del *hardware*, però sempre *n* > 0.
3. Espera un nombre d'intervals de temps igual a *backoff counter*. Només es compten intervals quan el canal està lliure; si està ocupat, el càlcul es congela.
4. Una vegada exhaurits els intervals, es transmet la trama.
5. En acabar, espera que el receptor enviï una confirmació (ACK). Si no la rep dins el temps previst, considera que s'ha produït una col·lisió i repeteix el procés des del principi, però doblant *n* a la fase 2.

Intervals de Temps (DIFS, SIFS)

DIFS: Temps entre trames noves

SIFS: Temps entre trama i ACK

Col·lisions i Estació Oculta

Poden produir-se col·lisions perquè dues estacions a l'espera triïn per casualitat el mateix nombre d'intervals (*backoff counter*) per començar a transmetre. En aquest cas, reintentaran, duplicant cada vegada el rang de valors entre els quals cadascuna tria a l'atzar el nou *backoff counter*. És similar a Ethernet, només que aquí les estacions no detecten les col·lisions, sinó que les infereixen per l'absència de l'ACK. Aquest procés el segueixen totes les estacions que estan associades a un mateix AP en un mateix canal de ràdio. A vegades, dues estacions associades al mateix AP col·lideixen perquè no es reben mútuament. En aquest cas, no detecten el canal ocupat i poden transmetre alhora. Això es coneix com el problema de l'estació oculta.

RTS/CTS (Request to Send/Clear to Send)

RTS/CTS:

Inconvenients

Augmenta la latència (cada enviament ha d'anar precedit de l'intercanvi de dos missatges). Reducció de rendiment (*throughput*). El canal s'ha d'utilitzar durant part del temps per enviar missatges de control.

Avantatges

Es redueixen les col·lisions si apareix el problema de l'estació oculta. Això pot millorar el rendiment en aquests casos.

Recomanació d'Ús

Activar RTS/CTS només a les estacions de les quals se sospiti que, per distància o ubicació, no se sentiran entre elles.

Virtual Carrier Sense

L'ús d'RTS/CTS s'anomena també *Virtual Carrier Sense*, ja que permet a una estació reservar el medi per al seu ús exclusiu sense necessitat de fer una transmissió real. Una vegada emesos els dos missatges, totes les estacions actuaran com si estigués ocupat. L'ús d'RTS/CTS s'activa per configuració, però no totes les interfícies ho suporten. En alguns casos, es pot especificar a partir de quina mida de trama es vol usar RTS/CTS. Si es posa > 2312 bytes (mida màxima), no s'usa mai; si es posa 1, s'usa sempre. Ajustar per mida té sentit, ja que el benefici d'usar RTS/CTS és major com més grans siguin les trames transmeses.

Fragmentació

Fragmentació:

Propòsit i Beneficis

Les xarxes WLAN tenen una major taxa d'error que les LAN. Per això, es preveu la possibilitat que l'emissor fragmenti les trames per a enviar-les en bocins més petits, ja que així es redueix la probabilitat d'error. Per a cada fragment, es retorna un ACK, ja que així, si cal, els fragments es poden retransmetre per separat. La fragmentació redueix una mica l'eficiència, però permet enviar dades en entorns amb molts errors (sorollosos).

Implementació i Limitacions

Els APs no poden fragmentar a nivell de xarxa perquè no són encaminadors. Totes les estacions estan obligades a suportar la fragmentació en recepció, però no en transmissió. Els paquets *multicast* i *broadcast* no es fragmenten mai. Els fragments tenen la mateixa estructura que la trama inicial. Tots els camps de control de la capçalera i el CRC apareixen a cada fragment. Cada fragment afegeix, per tant, 34 bytes. En la pràctica, l'*overhead* que s'afegeix és encara major, ja que la trama a nivell físic presenta altres camps que no es mostren aquí. Algunes interfícies sense fils permeten fixar a partir de quina mida es vol realitzar la fragmentació. El rang sol estar entre 256 i 2312 bytes (amb 2312, mai es produeix fragmentació). La separació entre cada fragment i el seu ACK és un SIFS (10 µs). D'aquesta forma, les altres estacions no poden interrompre l'enviament i els fragments s'envien com una ràfaga.

Combinació amb RTS/CTS

La fragmentació pot combinar-se amb el mecanisme d'RTS/CTS.

Adreces MAC en Xarxes 802.11

Adreces MAC:

Adreces MAC de l'AP

Un AP té normalment dues adreces MAC:

• La de la seva interfície sense fils.
• La de la seva interfície en el DS (normalment Ethernet).

BSSID (BSS Identifier)

L'adreça MAC de la interfície sense fils s'usa com a identificador del BSS que correspon a aquell AP i s'anomena BSSID (BSS Identifier). Aquesta dada és fonamental per al funcionament d'una xarxa 802.11.

SSID (Service Set Identifier) / ESSID

Cada xarxa sense fils té un SSID (Service Set Identifier), també anomenat a vegades ESSID (Extended SSID). L'SSID és una cadena de 2 a 32 caràcters qualssevol, configurable per l'usuari.

Múltiples SSIDs en un AP

L'adreça MAC de la interfície en el DS no té interès per a la xarxa sense fils i no apareix a les trames 802.11. Però és l'adreça MAC que normalment s'associa amb l'adreça IP de gestió de l'AP i serà, per tant, la que aparegui a les taules ARP. Si l'AP té més d'una interfície sense fils (per exemple, un AP de banda dual 2.4 i 5 GHz, 802.11a/b), cadascuna tindrà una adreça MAC diferent. En aquest cas, l'emissor de ràdio configura un BSS diferent i tindrà, per tant, un BSSID diferent, encara que evidentment les seves àrees de cobertura estaran molt encavalcades. Els AP moderns poden participar simultàniament en diverses xarxes sense fils. En aquest cas, cada xarxa té un SSID diferent i l'AP crea un BSSID diferent per a cada SSID.

Identificació i Connectivitat de Xarxes

Identificació de Xarxes:

Cada AP té un BSSID de fàbrica (la MAC de la seva interfície sense fils). El BSSID no es pot canviar. Cada xarxa sense fils té un SSID (Service Set Identifier) també anomenat a vegades ESSID (Extended SSID). L'SSID és una cadena de 2 a 32 caràcters qualssevol, configurable per l'usuari. Si un AP està aïllat (Basic Service Set, BSS), tindrà un BSSID i un SSID. Si diversos APs formen un Extended Service Set (ESS), és a dir, dos o més APs, tots estan connectats a nivell 2 per un DS (Distribution System). Cada AP té un BSSID i tots comparteixen el mateix SSID. En una xarxa *ad hoc*, l'estació que inicia la xarxa *ad hoc* tria el BSSID a l'atzar. L'usuari configura l'ESSID. Els AP moderns poden participar simultàniament en diverses xarxes sense fils. En aquest cas, cada xarxa té un SSID diferent i l'AP crea un BSSID diferent per a cada SSID.

Descobriment d'SSID (Beacon i Probe)

Connectivitat: Qualsevol estació que vulgui participar en una xarxa ha de configurar-se amb l'SSID correcte. Però, com troba una estació els SSID que estan disponibles en un moment determinat? Els AP difonen periòdicament uns missatges *broadcast* anomenats *beacon* (balisa) en els quals indiquen l'SSID de la xarxa a la qual pertanyen. Típicament, les balises s'envien 10 vegades per segon. Un AP pot configurar-se perquè no enviï balises, o perquè les enviï ocultant el seu SSID. Això es fa com a mesura de seguretat, però els SSID no viatgen encriptats; per tant, es pot descobrir l'SSID capturant un missatge d'una altra estació. A més d'esperar rebre balises, les estacions poden enviar missatges *probe* (exploradors). Quan un AP rep un *probe request*, està obligat a respondre amb un *probe response* si:

• El *probe request* indica l'SSID d'aquell AP.
• El *probe request* indica un SSID de 0 bytes (SSID *broadcast*).

Escaneig Actiu (NetStumbler)

Escaneig Actiu (NetStumbler): *NetStumbler* envia un *probe request* amb l'SSID *broadcast* per cada canal de ràdio. A continuació, analitza els *probe response* rebuts. Així, descobreix tots els AP excepte aquells que s'han configurat per ocultar llur SSID. Tant les balises com els *probe response* contenen informació de l'AP:

• Llurs BSSID i SSID.
• Velocitats suportades.
• Protocols d'encriptació suportats.
• Etc.

Associació

Associació: Si una xarxa sense fils (és a dir, un SSID) no té configurada cap protecció, qualsevol estació pot connectar-s'hi associant-se a un dels seus AP. Cada AP de la xarxa sense fils manté en tot moment una llista de les estacions associades (identificades amb les seves adreces MAC). Associar-se a un AP en una xarxa sense fils equival a connectar-se per cable a un commutador en una xarxa Ethernet. Quan un AP rep una trama del DS, mira si la MAC de destí està a la seva llista d'estacions associades. Si és així, envia la trama per ràdio; si no, la rebutja. En allò relatiu a l'intercanvi de tràfic entre les interfícies cablada i sense fils, el funcionament d'un AP és equivalent al d'un pont transparent o commutador LAN, excepte pel fet que no inunda la xarxa sense fils amb les trames amb destinatari desconegut. En canvi, el funcionament amb les estacions associades a l'AP en la seva interfície sense fils és similar al d'un *hub* *semidúplex*.

Itinerància (Handoff/Roaming)

Itinerància (*Handoff*/*Roaming*): Cada estació (en realitat, cada interfície) no pot estar associada a més d'un AP alhora (necessitaria dues interfícies de ràdio). Si l'estació s'allunya d'un AP i s'apropa a un altre, s'haurà de reassociar, és a dir, desassociar-se del primer i associar-se al segon (suposant que ambdós pertanyen al mateix ESS, és a dir, tenen el mateix SSID). Si el procés es realitza amb prou velocitat, és possible que no es perdin paquets.

Factors que Afecten la Velocitat

La rapidesa depèn de:

• El grau d'encavalcament de les àrees de cobertura dels dos AP.
• La velocitat de desplaçament de l'estació.
• L'agressivitat de la itinerància. Normalment configurable a la interfície.

Estàndard 802.11r (Fast BSS Transition)

La itinerància no estava contemplada en l'estàndard 802.11 inicial. Les implementacions l'han incorporat des de l'inici, però l'augment de complexitat dels protocols de seguretat feu que els sistemes tardessin un temps considerable (fins a 1 segon) a fer el canvi. L'aparició de telèfons 802.11 augmentà la necessitat d'una itinerància ràpida i segura. Es considera que, perquè la comunicació es mantingui, el canvi s'ha de produir en menys de 50 ms. Per això, l'any 2008, s'aprovà l'estàndard 802.11r (Fast BSS Transition). És important tenir sempre el *software*, *drivers*, etc., tan actualitzats com sigui possible.

Autenticació i Seguretat

Autenticació: Una xarxa sense fils sense protecció està exposada a atacs. Per evitar-ho, cal usar algun protocol de protecció com WEP, WPA, etc. Quan s'usa protecció, la xarxa (l'AP) obliga les estacions a autenticar-se abans d'associar-les. L'autenticació es fa amb un determinat SSID; l'associació, amb cada BSSID. L'autenticació es fa abans d'associar-se i es realitza de forma abreujada en reassociar-se (canviar d'AP) per accelerar la itinerància (802.11r).

Necessitat de Protecció

Seguretat: Les xarxes sense fils estan molt més exposades que les LAN normals a problemes de seguretat. Alguns mecanismes que ajuden a millorar la seguretat són:

• Desactivar l'anunci de l'SSID en mode *broadcast*. En aquest cas, els usuaris han de conèixer l'SSID per connectar-se a la xarxa. No és una mesura molt efectiva, ja que l'SSID es transmet no encriptat en els missatges d'associació.
• Filtrar per adreça MAC. Tampoc és segur, perquè altres estacions poden descobrir la MAC autoritzada i usar-la quan el veritable propietari no hi està associat.

La veritable seguretat només és possible amb protocols fonamentats en tècniques criptogràfiques.

Mecanismes d'Accés

Per controlar l'accés a una xarxa sense fils, es poden usar dos mecanismes:

PSK (Pre-Shared Key)

PSK (Pre-Shared Key, Clau secreta compartida). Adient per a ús particular i en oficines petites.

EAP (Extensible Authentication Protocol) / RADIUS

EAP (Extensible Authentication Protocol). Validació per usuari/*password* front a un servidor RADIUS (Remote Authentication Dial In User Server). PSK és més senzill d'implementar, però menys flexible. No és pràctic en grans organitzacions. Per controlar l'accés a la xarxa mitjançant RADIUS, es poden usar túnels VPN o 802.1x. Les claus o *passwords* no s'envien per la xarxa, sinó que s'usen mecanismes segurs fonamentats en tècniques criptogràfiques com CHAP.

Eduroam

Eduroam: Eduroam (*educational roaming*) és una confederació de serveis autònoms de *roaming* que ofereix itinerància per a usuaris de les xarxes acadèmiques europees. Es fonamenta en l'intercanvi de credencials usuari/*password* entre servidors RADIUS de diferents institucions, de manera que es permeti l'accés transparent a recursos remots, per exemple, la xarxa sense fils d'una altra organització. Està estesa per tota Europa, Japó, Austràlia i Canadà.

Limitacions en la Captura de Tràfic

Limitacions en la Captura de Tràfic: Les interfícies sense fils sintonitzen amb un canal de ràdio; per tant, per capturar simultàniament diversos canals, cal usar diverses interfícies. La majoria de les interfícies només poden capturar trames d'un únic SSID alhora. Algunes permeten un *mode monitor* en el qual capturen tots els SSID en un canal, però en aquest cas la interfície només pot rebre trames, però no enviar-ne. Moltes interfícies no poden capturar trames que no siguin de dades i, d'aquestes, no poden mostrar els camps de capçalera original, sinó només els de la seva traducció a Ethernet. Moltes interfícies només poden mostrar el tràfic cap a/des de l'estació que captura; no poden actuar en *mode promiscu*. Tot això depèn molt del *hardware*, *driver* i sistema operatiu. En general, Windows està molt més limitat que Linux, encara que alguns productes comercials permeten fer algunes coses (exemple: *AirPcap*).

Subcapa PLCP (Physical Layer Convergence Procedure)

PLCP: La subcapa PLCP desenvolupa les funcions que són comunes a tots els medis de transmissió. La subcapa PLCP incorpora una capçalera que precedeix la trama MAC. La trama així construïda és la que es transmet en el medi físic. Les principals funcions que desenvolupa la capçalera PLCP són:

• Establir la sincronització entre emissor i receptors per tal que interpretin correctament el principi de cada bit i la trama en general.
• Indicar la velocitat de transmissió utilitzada.
• Donar temps als receptors per a triar la millor antena, en cas d'usar diversitat d'antenes.

Espectre Radioelèctric i Regulació

Espectre Radioelèctric: L'espectre radioelèctric (zona de l'espectre electromagnètic utilitzada per a emissions de ràdio) abasta des de 9 KHz fins a 300 GHz. A nivell mundial, l'espectre radioelèctric està regulat per la ITU-R, que decideix qui pot emetre dins cada banda de freqüència i en quines condicions pot fer-ho. Per emetre en la majoria de bandes, cal autorització (llicència). La ITU-R divideix el món en tres regions:

• Regió 1: EMEA (Europa, Orient Mitjà i Àfrica).
• Regió 2: Amèrica.
• Regió 3: Àsia i Oceania.

Cada regió té una regulació diferent. A més, molts països imposen regulacions addicionals pròpies.

Banda 2.4 GHz (ISM)

Banda 2.4 GHz: És la més utilitzada. És coneguda com a banda ISM (Industrial-Scientific-Medical). La utilitzen moltes xarxes 802.11 i a més:

• Telèfons sense fils (però no els DECT ni mòbils).
• Comandaments a distància.
• Aparells sense fils d'àudio i vídeo.
• Etiquetes RFID.
• Forns de microones...

Això provoca interferències amb relativa freqüència.

Espectre Eixamplat (Spread Spectrum)

Espectre Eixamplat: Degut al caràcter no regulat, la banda ISM és un medi hostil, ja que normalment presenta un nivell de soroll elevat i moltes interferències. A més, s'imposen unes condicions d'emissió molt restrictives (potència màxima, tipus d'antena, etc.) per evitar el caos. Per superar aquests inconvenients el millor possible, s'usen tècniques d'*espectre eixamplat* o *espectre dispers* (*spread spectrum*, SS). En les xarxes sense fils, s'usen dues tècniques:

Tècniques SS

• Per salt de freqüència (*Frequency Hopping*, FHSS). S'usava en les primeres xarxes 802.11, però no actualment. Continua utilitzant-se a 802.15 (Bluetooth).
• Per seqüència directa (*Direct Sequence*, DSSS). S'usa en totes les xarxes 802.11 actuals.

Espectre Eixamplat per Salt de Freqüència (FHSS)

Inventat per l'actriu austríaca Hedy Lamarr el 1941, com a sistema de ràdio per guiar els míssils dels aliats contra Hitler. L'emissor i el receptor van canviant contínuament de freqüència, seguint una seqüència prèviament acordada. Per emetre, s'usa un canal estret (1 MHz) en el qual es concentra tota l'energia. Es disposa de 79 canals i es commuten diverses vegades per segon. Poden existir diferents emissors simultanis utilitzant seqüències distintes o la mateixa sense sincronització. L'FHSS també s'usa a Bluetooth, però amb altres canals i major nombre de canvis. L'emissor canvia de canal contínuament (diverses vegades per segon). Quan el canal coincideix amb la interferència, el senyal no es rep; la trama es retransmet en el següent bot. Senyal concentrat, gran intensitat. SNR elevada. Àrea sota la corba: 100 mW.

Espectre Eixamplat per Seqüència Directa (DSSS)

L'emissor utilitza un canal més ample que en FHSS i envia la informació codificada amb molta més redundància. El canal roman constant tot el temps. Es confia en la capacitat dels receptors per desxifrar la informació, fins i tot en el cas en què es produeixin interferències en alguna zona de l'espectre. Poden existir diferents emissors simultanis si usen canals no encavalcats. El canal és molt ample; el senyal conté molta informació redundant. Encara amb interferències, és probable que el receptor pugui extreure dades del senyal. Senyal dispers, baixa intensitat. SNR petita. Àrea sota la corba: 100 mW.

Comparació FHSS vs DSSS

FH permet un major nombre d'emissors simultanis i suporta millor les interferències *multicamí* (rebots). DS permet una major capacitat (802.11b). La interferència *multicamí* es pot evitar usant sistemes de diversitat. Actualment, FH no s'utilitza a 802.11, només a Bluetooth (802.15).

Interferència Multicamí

Interferència Multicamí: Es produeix degut a la diferència d'instant d'arribada entre el senyal directe i el que es reflecteix en diferents obstacles. El senyal pot arribar a anular-se per complet si l'endarreriment coincideix amb mitja longitud d'ona. En aquest cas, un petit moviment de l'antena pot resoldre el problema. Per evitar-ho, actualment s'usa DSSS amb sistemes de diversitat d'antenes.

Diversitat d'Antenes

Diversitat: S'utilitza en els AP per minimitzar la interferència *multicamí*. El procés és el següent:

• L'equip rep el senyal per les dues antenes, compara i tria el que ofereix millor qualitat de senyal.
• El procés es realitza de forma independent en cada trama rebuda utilitzant el preàmbul (128 bits en 2.4 GHz) per realitzar les mesures.
• Per emetre a una estació, s'usa l'antena que ha ofert millor senyal la darrera vegada que s'ha rebut d'ella.
• Si l'emissió falla (no es rep l'ACK), la retransmissió es fa per l'altra antena.
• Les dues antenes cobreixen la mateixa zona.

Estàndards 802.11a i 802.11h (5 GHz)

802.11a (802.11h):

Característiques de 802.11a

802.11a utilitza la banda U-NII 5 GHz. La tècnica de ràdio és OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Les velocitats són com a 802.11g: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 i 54 Mb/s (6, 12 i 24 són obligatòries). És incompatible amb 802.11b/g (diferent freqüència).

Estàndard 802.11h (DFS)

A Europa, es comença a usar la banda de 5 GHz més tard que a Amèrica perquè es va exigir que s'incorporessin mecanismes d'ajustament dinàmic de freqüència i potència per evitar interferències de radars i altres elements. Això es va incloure en l'estàndard 802.11h.

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

OFDM: Divideix el canal en 52 subportadores, cadascuna de 312,5 KHz d'amplada. 48 s'usen per a dades i 4 per a correcció d'errors. La modulació utilitzada es tria independentment per a cada subportadora. Els subcanals són ortogonals entre si, de manera que es minimitza la interferència i es pot minimitzar la separació entre ells. OFDM redueix l'efecte de la interferència *multicamí* i millora l'eficiència espectral (més bits per Hz). Utilitzant diferents tipus de modulació, pot variar-se el cabal per subcanal i, per tant, el cabal total. Les modulacions més eficients (64QAM) necessiten un canal amb millor relació senyal-soroll. S'incorporen codis FEC.

Comparació 802.11a (5 GHz) vs 802.11g (2.4 GHz)

Avantatges/Inconvenients de 802.11a (5 GHz) enfront de 802.11g (2.4 GHz):

Avantatges de 5 GHz

• A 5 GHz hi ha moltes menys interferències que a 2.4 GHz (Bluetooth, forns de microones, comandaments a distància, etc.). En el futur, és previsible que apareguin més equips que usin la banda de 5 GHz, provocant més interferències.
• A 5 GHz hi ha més canals no encavalcats (a Europa, 19 enfront de 4). És més senzill evitar interferències, especialment en dissenyar una cobertura cel·lular.
• Les antenes són més petites i, en general, presenten més guany.

Inconvenients de 5 GHz

• Menor abast, necessitat de situar més APs.
• Major cost dels equips emissors/receptors.
• Major consum (menor durada de les bateries).
• Menor disponibilitat d'equips.

Compatibilitat 802.11b/g

Compatibilitat 802.11b/g: 802.11b i g usen la mateixa banda i els mateixos canals de ràdio, però la codificació és diferent (CCK vs OFDM). Pràcticament qualsevol estació 802.11g suporta 802.11b, però una estació 802.11b no entén una 802.11g.

Problema de Compatibilitat (NAV)

Si una estació envia una trama 802.11g, les estacions 802.11b que hi ha en el seu BSS no l'entenen i no poden actualitzar el seu NAV (Network Allocation Vector). Això pot provocar col·lisions i pèrdua de rendiment, ja que l'estació 802.11b no és conscient que el canal està reservat. El problema és similar al de l'estació oculta, excepte que ara és degut a no entendre i no a no sentir.

Solucions (RTS/CTS, CTS to self)

El problema es podria resoldre enviant missatges RTS/CTS a velocitat 802.11b (suposant que totes les estacions del BSS poden rebre senyals 802.11b). Però en aquest cas, no té sentit enviar dos missatges. Bastaria amb el que envia l'emissor (en 802.11b) per tal que tots els receptors tinguin constància de la trama i la seva durada i puguin actualitzar el seu NAV. Aquesta tècnica d'un únic missatge s'anomena CTS to self. El missatge s'envia en 802.11b i va immediatament seguit de la trama 802.11g.

Impacte en el Rendiment

A més d'una major velocitat, 802.11g incorpora un nou preàmbul més curt, però això només és vàlid si totes les estacions del BSS són 802.11g. Només que hi hagi una estació 802.11b en el BSS, totes han d'usar el preàmbul llarg. El rendiment d'un BSS mixt b/g usant CTS to self és un 40% inferior al d'un BSS g pur. Usant RTS/CTS, la disminució és del 50%. CTS to self és la configuració per defecte en les interfícies 802.11g.

Rendiment Real de WLANs

Rendiment de WLANs: El rendiment real màxim sol estar al voltant del 50% de la velocitat nominal. Per exemple, amb 11 Mb/s, es poden obtenir 6 Mb/s en el millor dels casos.

Overhead i Factors Limitants

L'*overhead* és degut a:

• Medi compartit *half-duplex*.
• Missatges de reconeixement (un per trama).
• Protocol MAC (col·lisions, esperes aleatòries, intervals DIFS i SIFS entre trames).
• Transmissió del preàmbul PLCP.
• Missatges RTS/CTS (si s'usen).
• Fragmentació (si es produeix).

Estàndard 802.11n

802.11n: Estàndard aprovat el 2009 (encara que abans ja existien productes fonamentats en l'esborrany). Pot funcionar tant a 2.4 com a 5 GHz. Els canals tenen una amplada de 20 MHz en tots els casos. Permet realitzar agregació de dos canals consecutius (40 MHz) per duplicar el rendiment. Previsiblement, moltes instal·lacions es faran en 5 GHz, per disposar de més canals. Pot aconseguir una velocitat màxima (teòrica) de fins a 600 Mb/s. Les connexions al DS són Gigabit Ethernet.

Tècniques per a Alta Velocitat

L'alta velocitat s'aconsegueix combinant diverses tècniques:

• Amplada del canal: poden ser de 20 o 40 MHz.
• Modulació i codis FEC: es poden usar diferents tipus de modulació, des de BPSK fins a 64-QAM (com a OFDM). També codis FEC des de 1/2 fins a 5/6 (a OFDM era fins a 3/4).
• Interval de guarda (separació entre símbols). A 802.11a/g era de 800 ns; a 802.11n pot ser de 800 o 400 ns, per incrementar la velocitat. Això suposa una millora de l'11%. Amb menor separació, hi ha menor resistència a la interferència *multicamí*.
• S'usen antenes MIMO (Multiple Input Multiple Output); pot enviar o rebre diversos fluxos de dades paral·lels en un mateix canal. Un equip pot simultàniament transmetre per dues antenes i rebre per tres; és el que s'anomena sistema MIMO 2x3. Els equips 802.11n poden suportar fins a quatre antenes en emissió i quatre en recepció (MIMO 4x4).

Combinant totes aquestes característiques, apareixen fins a 77 diferents combinacions de sistemes 802.11n suportades.

MIMO (Multiple Input Multiple Output)

MIMO: Les dades s'envien repartides per diverses antenes emissores i receptores, ajustant cadascuna al rendiment que permet l'entorn i aprofitant tant com sigui possible el senyal rebotat.

Antenes en Xarxes 802.11

Antenes: El guany d'una antena és la relació entre la intensitat del senyal emès i la intensitat d'emissió d'una antena *isotròpica* a la mateixa distància i amb igual potència d'emissió. Sol expressar-se en dBi (dB isotròpic). Aquesta dada es proporciona per la direcció en la qual la intensitat (guany) és màxima. Una antena *isotròpica* té un guany de 0 dBi en totes direccions. El seu diagrama de radiació tridimensional és una esfera. Els tipus d'antenes usats en xarxes 802.11 són els següents:

• Omnidireccionals, que transmeten en totes direccions en el pla horitzontal (diagrama toroïdal, com un dònut). Són les de menor guany (2-6 dBi, depenent de com d'esclafat estigui el tor).
• Antenes de *pegat* (*patch* - 6-10 dBi de guany).
• Antenes *Yagi* (13 dBi).
• Antenes *parabòliques* (20 dBi).

Les més habituals són les omnidireccionals, seguides de les tipus *pegat*. Les *Yagi* i *parabòliques* s'usen sobretot en ponts sense fils. Les normatives fixen una potència màxima d'emissió i una densitat de potència (potència per unitat de superfície). Per tant, amb una antena de molt guany, cal reduir la potència. Els límits varien segons el domini regulatori. A EMEA (Europa, Orient Mitjà i Àfrica) són els de la taula adjunta.

Disseny de Xarxes Sense Fils

Disseny de Xarxes Sense Fils: Per a la ubicació dels AP, s'ha de considerar la forma de l'edifici o l'àrea a cobrir, la gruixària de les parets i forjats i el material del qual estan fets. Si és possible, convé fer proves preliminars i replantejaments en cas necessari. S'han d'ajustar els canals dels AP i la seva potència per minimitzar interferències entre ells. Normalment, s'usen antenes omnidireccionals en interior i de *pegat* en exterior. Depenent de l'estructura i forma de l'edifici, normalment a 802.11g, cada AP pot donar cobertura a una superfície de 300 a 1000 m². En alguns casos, el senyal pot travessar 2-3 parets; en altres, pot cobrir plantes contigües. Si s'instal·la una densitat d'AP excessiva, els equips s'interfereixen mútuament. En aquests casos, convé reduir la potència de cada AP. Si es preveu un gran nombre d'usuaris o es vol oferir un gran rendiment, interessarà crear cel·les petites. En aquest cas, convindrà posar més AP dels necessaris, però amb potències d'emissió reduïdes (p. ex., en una gran sala de conferències).

Funcions Addicionals de Xarxa

Funcions addicionals: La xarxa pot oferir també funcions addicionals, per exemple:

• Monitorització: alguns AP no s'usen per emetre, sinó per rebre el senyal dels altres i comprovar que tot és correcte.
• Localització: amb equips de localització especials, es pot esbrinar on està ubicada una estació a partir del senyal que detecten els AP propers. Això pot ser útil en hospitals, per exemple.

Per a poder utilitzar aquestes funcions, cal instal·lar una major densitat d'AP que els estrictament necessaris per a la cobertura de l'edifici.

Gestió de Xarxes Sense Fils (AP FAT vs AP THIN)

Gestió de xarxes sense fils AP FAT vs AP THIN: Existeixen bàsicament dos models de gestió de xarxes sense fils:

• APs FAT: els AP poden funcionar de forma autònoma; cadascun conté tot el *software* i configuració.
• APs THIN: els APs necessiten estar connectats a un equip de control que conté tota la configuració i *software*.

En els sistemes THIN, l'equip de control s'encarrega d'ajustar el canal i potència a cada AP, intentant minimitzar les interferències. També poden detectar, i fins i tot neutralitzar, els AP *pirates* (*rogue AP*) que poden estar interferint la xarxa legal o crear un forat de seguretat.

Ponts Sense Fils entre LANs

Ponts sense fils entre LANs: Els sistemes de transmissió via ràdio de les LANs sense fils poden aprofitar-se per unir LANs entre si. Això pot permetre un estalvi considerable en el lloguer de circuits telefònics. Els dispositius que s'usen són ponts sense fils semblants als punts d'accés. Com que en aquest cas els punts a unir no són mòbils, poden usar-se antenes molt direccionals que tenen un abast considerable. Un pont pot actuar simultàniament de punt d'accés sense fils.

Visió Directa i Elipse de Fresnel

Què significa visió directa? No basta amb veure l'altra antena; cal disposar d'una *visió còmoda*. És necessari disposar d'una *elipse lliure d'obstacles* entre antenes que eviti la difracció del senyal en objectes propers. La vegetació pot créixer i obstaculitzar la visió en alguna època de l'any.