Resumen— El trabajo aquí presentado es una pequeña
recopilación sobre el estándar de comunicaciones 802.11 de la
IEEE que se centra en las LAN sin cables o más bien conocidas
como Wireless LAN.
De manera general se explicaran algunas de las características
más importantes del protocolo, tales como: La arquitectura, La
capa física y El nivel de enlace de datos. También se incluirá un
breve recorrido, detallando características, ventajas y
desventajas de los estándares de acceso inalámbrico de la familia
802.11 aprobados por la IEEE.
Temas claves— Redes inalámbricas, WLAN, radiofrecuencias,
subcapa MAC, subcapa LLC, algoritmo CSMA/CA, FHSS, DSSS,
PFC, DFC.
I. INTRODUCCIÓN
Las diferentes necesidades de la sociedad han llevado a
desarrollar diferentes tecnologías, las cuales no deben ser
desarrolladas sin regulación alguna, dado que se generan aun
mas limitaciones e cuanto a implementación y desarrollo, es
en este punto en donde nacen los estándares los cuales son
especificaciones que regulan la realización de ciertos procesos
o la fabricación de componentes para garantizar la
interoperabilidad.
En las telecomunicaciones las necesidades de comunicación han llevado a desarrollar diferentes tecnologías, inicialmente
mediante medios guiados, pero con el tiempo han aparecido
limitaciones y necesidades, las cuales han llevado a desarrollar
tecnologías mediante medios no guiados o más bien conocidas
como inalámbricas.
Entre las tecnologías de medios no guiados encontramos las
LAN Inalámbricas o también conocidas como Wireless LANs,
cuya función principal es proporcionar conectividad y acceso
a las tradicionales redes cableadas, pero con la flexibilidad y
movilidad que ofrecen las comunicaciones inalámbricas. Estos sistemas (WLAN) están consolidados mediante el estándar
IEEE 802.11 desde el mes de junio del año 1997. En este
estándar se encuentran las especificaciones tanto físicas como
a nivel MAC que hay que tener en cuenta a la hora de
implementar una red de área local inalámbrica.
Los estándares a menudo son extendidos obteniendo diferentes
modificaciones y mejoras, es así como el estándar IEEE
802.11 no es excepción a esta regla, y para el cual han surgido
nuevas especificaciones las cuales se pretenden explicar en
este documento.
II. EL ESTANDAR 802.11
El estándar IEEE 802.11 define especificaciones para una
LAN inalámbrica, el cual cubre los dos primeros niveles del
modelo OSI, físico y de enlace de datos.
A. Arquitectura
Dentro de la arquitectura del estándar IEEE 802.11 están
definidos dos conjuntos de servicios, conjunto de servicios
básicos (BSS) y el conjunto de servicios ampliados (ESS).
El conjunto de servicios básicos es definido por IEEE
802.11 como el conjunto constructivo de una LAN
inalámbrica, este esta compuesto por estaciones fijas, móviles
y en algunas ocasiones por una estación base llamada punto de acceso (AP).
Aquellas LAN inalámbricas sin AP son denominadas
arquitectura ad hoc, son redes BSS aisladas y no pueden
enviar datos a otra BSS, por otro lado aquellas BSS con punto
de acceso son regularmente conocidas como redes con
infraestructura [1].
Fig. 1. Ad hoc Fig. 2. Red con infraestructura
Dos o mas redes BSS interconectadas mediante un sistema
de distribución a través de los AP, estas son denominadas
conjunto de servicios ampliados (ESS), en este contexto y
dado que los puntos de acceso son interconectados por cable
Estándar IEEE 802.11
Wireless LAN
Diego Alejandro Villegas Oliveros, Estudiante de Ingeniería Telemática, Universidad Icesi
formando parte de una LAN estaríamos hablando de dos tipos
de estaciones móviles (estaciones dentro de las BSS) y fijas
(Puntos de acceso AP) [1].
Un ESS permite la comunicación entre estaciones ubicadas
en diferentes BSS mediante el AP y el sistema de distribución, cabe anotar que una estación puede pertenecer a dos BSS al
mismo tiempo [1], [2].
Fig. 3. ESS
B. Capa Física
La capa física del estándar 802.11 nos ofrece tres tipos de
codificación de información: Frecuency Hopping Spread
Spectrum (FHSS) (Espectro Expandido por Salto de
Frecuencia), Direct Sequense Spread Spectrum (DSSS)
(Espectro Expandido por secuencia directa), e Infrared (IR)
(infrarrojo).
El FHSS es una técnica de modulación en espectro
ensanchado en el que la señal se emite sobre una serie de
radiofrecuencias aparentemente aleatorias, saltando de frecuencia en frecuencia utilizando una secuencia pseudo
aleatoria almacenada en unas tablas, y que tanto el emisor y el
receptor deben conocer [2], [3]. Este tipo de transmisión en
espectro ensanchado ofrece 3 ventajas principales:
1. Las señales son altamente resistentes al ruido y a la interferencia.
2. Las señales en son difíciles de interceptar.
3. Las transmisiones pueden compartir una banda de
frecuencia con muchos tipos de transmisiones.
Fig. 4. Espectro expandido por salto de frecuencia (FHSS)
El DSSS es una técnica que consiste en la generación de un
patrón de bits redundante, conocido como señal de chip o
chipping, para cada uno de los bits que componen la señal de
información y la posterior modulación de la señal resultante
mediante una portadora de radiofrecuencia [2]. En recepción
es necesario realizar el proceso inverso para obtener la señal
de información original. Si uno o más bits en la señal de chip
se dañan durante la transmisión, no es necesaria la
retransmisión pues a través del chipping se envía información
redundante y esto permite verificar errores e incluso
corregirlos durante las transmisiones [3].
La secuencia de bits utilizada para modular cada uno de los
bits de información es la llamada secuencia de Barker y tiene
la siguiente forma:
1- 1,- 1,- 1, 1, 1, 1,- 1, 1, 1,- 1,
WLAN por Infrarrojos utiliza luz infrarroja en el rango de
los 800 a 950 nm. Utiliza una técnica denominada modulación por posición de pulsos (PPM). La modulación PPM consiste
en transmitir pulsos de amplitud constante y codificar
información según la posición del pulso. La codificación
infrarroja nos Proporciona velocidades de transmisión de
1Mbps para una modulación de 16ppm y de 2Mbps para
4ppm. Esta tecnología es aplicada típicamente en entornos de
interior para implementar enlaces punto a punto de corto
alcance o redes locales en entornos muy localizados como
puede ser una aula concreta o un laboratorio [1].
C. Nivel de enlace de datos
El nivel de enlace de datos del estándar 802.11 esta
compuesta por dos subcapas: la capa de control de enlace
lógico (LLC) y la capa de control de acceso al medio (MAC)
Fig. 5. Nivel Enlace de datos
Subcapa LLC
Establece y finaliza los enlaces, controla el tráfico de
tramas, secuencia las tramas y confirma la recepción de las
tramas.
La subcapa LLC gestiona la comunicación de enlace de datos
y define el uso de los puntos de acceso AP. Otros equipos
pueden hacer referencia y utilizar los AP para transferir
información desde el subnivel LLC hacia los niveles
superiores del modelo OSI.
El nivel LLC, definido en el estándar 802.2, es el mismo para
cualquier tipo de adaptador de red, y es independiente del
dispositivo y del medio físico [4].
Fig. 6. Subnivel LLC
Subcapa MAC
El acceso al medio inalámbrico es coordinado mediante
funciones de coordinación nos definen dos funciones, una
denominada función de coordinación distribuida (DCF) y la
otra función de coordinación puntual (PFC)
Fig. 7. Arquitectura MAC
Función de coordinación Distribuida
La función de coordinación distribuida (DFC) de termina
dentro de un conjunto básico de servicios (BSS), cuando una
estación puede transmitir o recibir unidades de datos de
protocolo a nivel MAC a través del medio inalámbrico, su
funcionamiento se basa en técnicas de acceso aleatorias por
contienda al medio, debido a que técnicas de contienda
introducen retardos aleatorios y no predecibles el trafico
transmitido bajo esta funcionalidad es asíncrono.
La función DFC utiliza CSMA/CA (acceso múltiple por
detección de portadora con evasión de colisiones) como
protocolo de acceso al medio. Cada equipo anuncia su
intención de transmitir antes de hacerlo para evitar colisiones
entre los paquetes de datos, dado que las WLAN no cuentan
con un modo práctico para transmitir y recibir
simultáneamente.
Para enviar una trama, el equipo origen primero detecta el
estado del canal (libre u ocupado), si esta libre espera un
periodo de tiempo conocido como espacio entre tramas
distribuido (DIFS), a continuación envía una trama corta de
control de solicitud de transmisión RTS (Request To Send). El
destino recibe esta trama significa y espera un periodo de
tiempo llamado espacio corto entre tramas (SIFS) y devuelve
una trama de contestación: preparado para transmitir CTS
(Clear To Send) o receptor ocupado (RxBUSY). Si la
respuesta es afirmativa el equipo origen espera un tiempo
SIFS y transmite la trama en espera (DATA). Si el equipo
destino recibe correctamente el mensaje, espera una cantidad
de tiempo SIFS y contesta con la trama de confirmación
positiva ACK (ACKnowledged) y si no la recibe
correctamente contesta con la trama de confirmación negativa
NAK (NAKnowledged) y el equipo origen tratará de volver a
enviarlo. Este procedimiento se repite un número predefinido
de veces hasta conseguirse una transmisión correcta de la
trama DATA [1], [4].
Fig. 8. Envío de una trama mediante protocolo CSMA/CA
Dificultades durante el protocolo de acuerdo
EL problema de la estación oculta
Supongamos 3 estaciones A, B y C en un entorno
CSMA/CA:
Fig. 9. Arquitectura MAC
La Estación A y la Estación C transmitirían correctamente
(no pueden verse mutuamente en la fase de detección; así
pues, ambas podrían transmitir simultáneamente y de forma
correcta un paquete), pero la Estación B recibiría datos
dañados. Se dice que la Estación A y la Estación B están
"ocultas" la una de la otra.
Para resolver este problema utilizamos las tramas RTS y
CTS. La estación A envía una trama RTS a la estación B, que
a su vez envía una trama CTS pequeño como respuesta. Esta
trama es lo recibida tanto por la estación A como por la
estación C. La estación C se detendrá y no llevará a cabo la
transmisión en este caso durante el tiempo que dure la
transmisión.
Se debe tener en cuenta que las estaciones ocultas pueden
reducir la capacidad de la red debido a la posibilidad de
colisión [1].
Fig. 10. Solución problema estación oculta
El Problema de la estación expuesta
Supongamos 4 estaciones A, B, C y D en un entorno
CSMA/CA:
DA B C
Fig. 11. Problema de la estación expuesta
Supongamos que la estación A esta transmitiendo datos a B.
La estación C tiene datos por enviar a D, que pueden ser
enviados sin intervenir con la transmisión entre A y B. Dado
que C esta expuesta a la estación B este toma la decisión de no
enviar datos a D, desaprovechando la capacidad de canal
[1],[3].
Función de coordinación Puntual
La función de coordinación puntual (PFC) esta asociada a
transmisiones libres de contienda las cuales utilizan técnicas
de acceso deterministas. Para esta función se define una
técnica de interrogación circular desde el punto de acceso AP.
Esta funcionalidad es para servicios de tipo síncrono que no
soportan retardos aleatorios en el acceso al medio [2].
D. Estándares
El estándar 802.11 ha tenido una evolución constante desde
su nacimiento, es por esto que hoy existen varias versiones,
cada una con especificaciones y mejoras diferentes, y siempre
con el objetivo de mejorar a su antecesora. Veamos una
pequeña explicación de algunas de las versiones más
importantes:
802.11 Legacy
Creado en 1997. Es conocido como la versión original del
estándar IEEE. Permite velocidades de transmisión de hasta 2
Mbps y opera sobre la frecuencia de 2,4 GHz. Utiliza el
protocolo de acceso al medio CSMA/CA [5]. Este estándar
tiene dificultades de comunicación entre dispositivos de
diferentes marcas, también se debe tener en cuenta que la
banda de 2.4 Gs tiene gran uso (pues es la misma banda usada
por los teléfonos inalámbricos y los hornos de microondas,
entre otros aparatos), lo cual crea problemas de interferencia.
Actualmente no hay implementaciones disponibles [6].
802.11a OFDM
Aprobada desde 1999. Permite realizar transmisiones con
velocidades de hasta 54Mbps y opera sobre la banda de
frecuencias de 5 GHz. El alcance aproximado para este
estándar es de aproximadamente 25 metros. Utiliza 52
subportadoras (Subcarriers) mediante la múltiplexación por
división de frecuencias OFDM el utilizar la banda de 5 GHz
representa una ventaja del estándar 802.11a, dado que se
presentan menos interferencias con respecto a su antecesor
802.11 Legacy, pero al hacer uso de frecuencias tan altas su
cobertura disminuye drásticamente, es decir mayor
atenuación. La especificación no es compatible con otras,
solamente con las de su mismo tipo, esto debido a la
diferencia de frecuencia manejada [5]- [7].
Fig. 12. Múltiplexación por división de frecuencias OFDM
802.11b DSSS
Ratificado en 1999. Soporta velocidades en condiciones
ideales de hasta 11Mbps y opera sobre la banda de
frecuencias de 2.4 - 2.5 MHz. El alcance aproximado para este
estándar es de aproximadamente 50 metros. Es el más popular
pues fue el primero en imponerse y existe un inventario muy
grande de equipos y dispositivos que manejan esta tecnología.
Al igual que su la versión original emplea CSMA/CA como
técnica para el acceso al medio. Utiliza la técnica de Espectro
Ensanchado por Secuencia Directa DSSS, mencionada en
anteriormente, para la modulación de la señal, enviando
también bits de redundancia que evitan retransmisiones
corrigiendo los errores en la trama [5]- [7].
802.11g
Estándar ratificado en junio de 2003. Opera a una velocidad
de transmisión máxima de 54 Mbps y emplea las mismas
bandas de frecuencia que el estándar 802.11b, haciéndolo de
igual manera compatible. Sin embargo, al mezclar los dos
estándares en una misma red, se reduce significativamente la
velocidad de transmisión. Emplea las técnicas de modulación
OFDM y DSSS. Con potencias de hasta medio vatio y antenas
parabólicas apropiadas, puede llegar a hacer comunicaciones
de hasta 50 Km [5]- [7].
Los demás estándares son mejoras o complementos de los
estándares mencionados.
802.11n
Es un estándar nuevo que aún está en elaboración. Si bien
se está trabajando en él desde el año 2004. Se prevé que tendrá
una velocidad de transmisión minima de 100Mbps y podría
llegar a alcanzar los 600 Mbps, A diferencia de las otras
versiones de Wi-Fi, esta versión puede trabajar en dos bandas
de frecuencias: 2,4 GHz y 5 GHz. Debido a esto, la versión es
compatible con dispositivos basados en todas las ediciones
anteriores.
Este nuevo estándar utilizara la tecnología MIMO Multiple
Input – Multiple Output, que permite utilizar varios canales a
la vez para enviar y recibir datos gracias a la incorporación de
varias antenas [5]-[7].
Fig. 13. Diagrama de sistema MIMO
III. REFERENCIAS
[1] FOROUZAN, Behrouz A. Transmisión de Datos y Redes de
Comunicaciones. Cuarta edición. Madrid: McGraw-Hill Interamericana.
2002. pp 393-406
[2] Direct Sequence Spread Spectrum .Anon , Accessed 3rd August 2005
[en línea]. Disponible en:
http://searchnetworking.techtarget.com/sDefinition/0,,sid7_gci525721,0
0.html (consultado en octubre 25 de 2008)
[3] Frequency-hopping spread spectrum. Wikipedia Org. [en línea].
Disponible en: http://en.wikipedia.org/wiki/Frequency-
hopping_spread_spectrum(consultado en octubre 25 de 2008)
[4] Tema 4: Redes de area Local. Universidad politécnica de Cartagena. [en
línea]. Disponible en:
http://www.dte.upct.es/personal/manuel.jimenez/docencia/GD6_Comuni
c_Ind/pdfs/Tema%204.pdf (consultado en octubre 25 de 2008)
[5] Introducción a la tecnología Wireless 802.11. E-advento Networks
Corp. [en línea]. Disponible en: http://www.e-
advento.com/tecnologia/wlan_intro.php (consultado octubre 25 de 2008)
[6] IEEE 802.11. Wikipedia Org. [en línea]. Disponible en:
http://es.wikipedia.org/wiki/802.11 (consultado octubre 25 de 2008)
[7] Estándares Wifi de conexión. Virusprot Corp. [en línea]. Disponible en:
http://www.virusprot.com/cursos/Redes-Inal%C3%A1mbricas-Curso-
gratis3.htm (consultado octubre 25 de 2008)
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