802.11 Parte IIA - Escuela Politécnica Nacional
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Comunicaciones Inalámbricas Estándar IEEE 802.11 (Parte II) Iván Bernal, Ph.D. [email protected] http://ie205.epn.edu.ec/ibernal Escuela Politécnica Nacional Quito – Ecuador Copyright @2005, I. Bernal Agenda • Capa Física Opciones. • Seguridad. Generalidades. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 2 Bibliograf ía Bibliografía • W. Stallings, "Wireless Communications and Networks", 2nd Edition, Prentice Hall, 2005. • W. Stallings, "Local and Metropolitan Area Networks", 5ta Edition, Prentice Hall, 1997. • J. Geier, “Wireless LANs”, 2nd Edition, SAMS Publishing, 2002. • M. Gast, “802.11 Wireless Networks”, O’Reilly, 2002. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 3 Capa F ísica IEEE 802.11 Física • Europe: ETSI (European Telecommunications Standards Institute) • France: Direction Generale des Postes et Telecommunications • Japan: Ministry of Telecommunications (MKK) • North America: Industry Canada (IC), Canada Federal Communications Commission (FCC), USA • Spain: Cuadro Nacional de Atribución de Frecuecias Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 4 Capa F ísica IEEE 802.11 Física • Se han emitido en cuatro etapas: La primera parte se denomina simplemente IEEE 802.11 (1997) ¾ Capa MAC. ¾ 3 capas físicas. 9 Dos en la banda de 2.4 GHz (ISM). 9 Una en IR. ¾ Todas operan a 1 y 2 Mbps. IEEE 802.11a (1999) ¾ Opera en la banda de 5 GHz. ¾ Velocidades de transmisión de hasta 54 Mbps. IEEE 802.11b (1999) ¾ Opera en 2.4 GHz. ¾ Velocidades de transmisión de 1, 2, 5.5 y 11 Mbps (HR-DSSS, High Rate DSSS). IEEE 802.11g (2003) ¾ Opera en 2.4 GHz. ¾ Velocidades de transmisión de hasta 54 Mbps. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 5 Capa F ísica IEEE 802.11 Física Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 6 Capa F ísica IEEE 802.11 Original Física • Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) 2.4 GHz (ISM) Opera a 1 y 2 Mbps. En USA, la FCC no requiere licenciamiento. Se han definido 14 canales, cada uno de 5MHz. ¾ Canal 1 en 2.412 GHz y, canal 2 en 2.417 GHz, etc,… el 14 en 2.483 GHz. ¾ Hasta tres canales sin sobrelapamiento. Cada uno con 1 o 2 Mbps. El número de canales disponibles depende del ancho de banda ubicado por las agencias nacionales de regulación. Modulación ¾ DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) para 1 Mbps. ¾ DQPSK para 2 Mbps. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 7 Capa F ísica IEEE 802.11 Original Física • Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Tabla se aplica también a 802.11 Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 8 Capa F ísica IEEE 802.11 Original Física Diciembre 05 9 Ivá Iván Bernal, Ph.D. Capa F ísica IEEE 802.11 Original Física • Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) DSSS utiliza un “chipping code” o secuencia de pseudoruido (pseudorandom noise codes, PN codes). ¾ Para “esparcir” la velocidad de transmisión y por tanto el ancho de banda. IEEE 802.11 DSSS usa una secuencia de Barker (que tiene buenas propiedades de autocorrelación) de 11 chips. ¾ Un 1 se representa por: 9 {+ - + + - + + + - - -} ¾ Un 0 se representa por: 9 {- + - - + - - - + + +} Dentro de un canal, la mayoría de la energía se expande en una banda de 22 MHz. ¾ Con un reloj para los chips de 11 MHz, la energía se esparce desde el centro del canal en múltiplos de 11 MHz. ¾ Para prevenir interferencia en canales adyacentes, se filtra los lóbulos secundarios. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 10 Capa F ísica IEEE 802.11 Original Física • Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Para prevenir interferencias con redes trabajando con canales adyacentes, se los debe separar al menos 22 MHz, entre las frecuencias centrales de los canales. Con una separación de 5 MHz entre canales, las redes deben estar separadas por 5 números de canal. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 11 Capa F ísica IEEE 802.11 Original Física • Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) No se detalla en esta curso la formación de tramas a nivel PLCP para esta forma de DSSS. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 12 Capa F ísica IEEE 802.11 Original Física • Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) 2.4 GHz (ISM). “Es ahora solo un pie de página en la historia de 802.11” Opera a 1 y 2 Mbps. Canales de 1MHz. ¾ Canal 0 en 2.4 GHz (frecuencia central), canal 1 en 2.401 GHz, y así hasta el canal 95 en 2.495 GHz. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 13 Capa F ísica IEEE 802.11 Original Física • Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) La señal salta de un canal a otro de acuerdo a una secuencia de pseudoruido. Parámetros del esquema de salto son ajustables: ¾ Tasa de salto mínima en USA es 2.5 hops por segundo. ¾ La distancia de salto mínima en frecuencia es 6 MHz en Norte América y la mayoría de Europa. 9 5 MHz en Japón. Funciones matemáticas para obtener los conjuntos de saltos son parte de la especificación de FH PHY de 802.11. ¾ Los conjuntos en USA y Europa son de 26 elementos. ¾ Así la secuencia 1 en USA es {3, 26, 65, 11, 46, 19, 74, 50, 22,….} Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 14 Capa F ísica IEEE 802.11 Original Física • Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Modulación: ¾ FSK Gaussiana (GFSK) de dos niveles para 1 Mbps. 9 Los 0s y 1s se codifican como desviaciones de la frecuencia actual de la portadora. ¾ FSK Gaussiana (GFSK) de cuatro niveles para 2 Mbps. 9 Cuatro desviaciones diferentes de la frecuencia central definen las 4 combinaciones de 2 bits. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 15 Capa F ísica IEEE 802.11 Original Física • Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) FSK Gaussiana (GFSK). ¾ In a GFSK modulator everything is the same as a FSK modulator except that before the baseband pulses (-1, 1) go into the FSK modulator, it is passed through a gaussian filter to make the pulse smoother so to limit its spectral width. ¾ Gaussian filtering is one of the very standard ways for reducing the spectral width, it is called Pulse Shaping. 9 If we use -1 for fc-fd and 1 for fc+fd, once when we jump from -1 to 1 or 1 to -1, the modulated waveform changes rapidly, which introduces large out-of-band spectrum. 9 If we change the pulse going from -1 to 1 as -1, -.98, -.93 ..... .96, .99, 1, and we use this smoother pulse to modulate the carrier, the out-of-band spectrum will be reduced. ¾ A binary one is represented by a positive frequency deviation, and a binary zero is represented by a negative frequency deviation. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 16 Capa F ísica IEEE 802.11 Original Física • Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) FSK Gaussiana (GFSK). Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 17 Capa F ísica IEEE 802.11 Original Física • Infrarrojo Longitudes de onda entre 850 nm y 950 nm. Opera a 1 y 2 Mbps. Omnidireccional. Rango de hasta 20 m. Codificación: ¾ 16 PPM (Pulse Position Modulation) para 1 Mbps. ¾ 4 PPM para 2 Mbps. Modulación: ¾ La transmisión real utiliza un esquema de intensidad. 9 La presencia de señal corresponde a un 1. 9 La ausencia de señal corresponde a un 0. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 18 Capa F ísica IEEE 802.11 Original Física • Infrarrojo PPM ¾ El valor de entrada determina la posición de un pulso (estrecho) en relación al tiempo del reloj del sistema. ¾ Reduce los requerimientos de la fuente infrarroja en cuanto a la potencia de salida solicitada. ¾ 16 PPM 9 A cada grupo de 4 bits se le asigna uno de los 16 símbolos PPM. 9 Cada símbolo es una cadena de 16 bits. 15 bits son 0s. 1 bit es un 1. ¾ 4 PPM 9 A cada grupo de 2 bits se le asigna una de los 4 símbolos PPM. 9 Cada símbolo es una cadena de 4 bits. 3 bits son 0s. 1 bit es un 1. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 19 Capa F ísica IEEE 802.11 Original Física • Infrarrojo PPM Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 20 Capa F ísica IEEE 802.11a Física • Estructura de los canales Hace uso de la banda de frecuencia llamada UNNI. ¾ Unlicensed National Information Infraestructure. ¾ Universal Networking Information Infraestructure. UNNI: ¾ UNNI -1: 9 5.15 a 5.25 GHz. 9 Para uso en interiores. ¾ UNNI -2: 9 5.25 a 5.35 GHz. 9 Para uso en interiores y exteriores. ¾ UNNI -3: 9 5.725 a 5.825 GHz. 9 Para uso en exteriores. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 21 Capa F ísica IEEE 802.11a Física • Ventajas sobre 802.11 b/g: Cada banda UNNI proporciona 4 canales para un total de 12 en el espectro asignado. Provee velocidades de transmisión mas altas que 802.11 b y la misma velocidad máxima que 802.11 g. Utiliza un espectro de frecuencia diferente (5GHz), relativamente no congestionado. • Estructura de los canales: La figura indica la máscara del espectro de transmisión. ¾ La máscara limita las propiedades espectrales de la señal transmitida de tal manera que señales en canales adyacentes no interfieran entre si. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 22 Capa F ísica IEEE 802.11a Física • Estructura de los canales: Las figuras presentan los 12 canales (de 20 MHz) disponibles en 802.11a. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 23 Capa F ísica IEEE 802.11a Física • Codificación y Modulación No utiliza spread spectrum. Utiliza OFDM ¾ Orthogonal Frequency Division Multiplexing. ¾ Denominada “Multicarrier Modulation”. 9 Utiliza múltiples portadoras a diferentes frecuencias. 9 Envía algunos bits de datos en cada canal. 9 Similar a FDM, con la diferencia que todos los subcanales están dedicados a una misma fuente de datos. Cada canal de 20 MHz se compone de 52 subportadoras (numeradas desde -26 hasta 26). ¾ 48 subportadoras para transmitir datos. ¾ 4 se usan como portadoras piloto (-21, -7, 7, 21) para monitoreo de: 9 ICI (InterCarrier Interference) 9 Desplazamientos de frecuencia debido al efecto Doppler. 9 La portadora 0 no se usa (por razones de DSP). ¾ Separación entre subportadoras de 0.3125 MHz. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 24 Capa F ísica IEEE 802.11a Física • Codificación y Modulación Para complementar OFDM se soporta una variedad de esquemas de modulación y codificación. ¾ BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM. Se usan códigos convolucionales para proveer FEC. La combinación de la técnica de modulación y velocidad de codificación determina la velocidad de datos. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 25 Capa F ísica IEEE 802.11a Física • Codificación y Modulación (?? 48 Mbps en lugar de 49 Mbps??) Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 26 Capa F ísica IEEE 802.11a Física • Estructura de la trama de Capa Física. El propósito principal de la capa física es transmitir MAC PDUs. La subcapa PLCP provee los bits de “entramamiento” y “señalización”para la transmisión OFDM. La subcapa PMD realiza la codificación y la operación de transmisión. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 27 Capa F ísica IEEE 802.11a Física • Estructura de la trama de Capa Física (OFDM PLCP). Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 28 Capa F ísica IEEE 802.11a Física • Estructura de la trama de Capa Física. El campo “Preámbulo PLCP” ¾ Permite al receptor tomar la señal OFDM que llega y sincronizar el demodulador. ¾ Transmitido junto con el campo “Señal” a 6 Mbps con BPSK. El campo “Señal” ¾ Consiste de 24 bits codificados como un solo símbolo OFDM. ¾ Transmitido junto con el campo “Preámbulo PLCP” a 6 Mbps con BPSK. ¾ Subcampos: 9 Rate Especifica la velocidad de transmisión a la cual la parte del campo “data” de la trama es transmitida. 9r Reservado para uso futuro. 9 Length Número de octetos en el PDU MAC. 9P Bit de paridad par para los 17 bits de los subcampos: Rate, r, y Length. 9 Tail (del campo señal) Consiste de 6 ceros añadidos al símbolo para llevar al codificador convolucional al estado cero. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 29 Capa F ísica IEEE 802.11a Física • Estructura de la trama de Capa Física. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 30 Capa F ísica IEEE 802.11a Física • Estructura de la trama de Capa Física. El campo “Data” ¾ Consiste de un número variable de símbolos OFDM transmitidos a la velocidad especificada en el subcampo “Rate”. ¾ Antes de la transmisión, todos los bits de “Data” son aleatorizados (scrambled). 9 Para aleatorizar e impedir largas cadenas de 1s o 0s. Los bits de tail no son scrambled. ¾ Subcampos: 9 Service (16 bits) Los primeros 6 bits tienen el valor 0 para sincronizar el descrambler en el receptor. Los 9 bits restantes (todos cero) están reservados para uso futuro. 9 MAC PDU Entregado por la capa MAC. 9 Tail (6 bits) Se usan para reinicializar el codificador convolucional. 9 Pad Un número de bits para hacer que el campo “Data” sea múltiplo del número de bits de un símbolo OFDM. 48, 96, 192, o 288. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 31 Capa F ísica IEEE 802.11b Física • Es una extensión del esquema DSSS 802.11. • Velocidades de hasta 5.5 y 11 Mbps en la banda ISM. • “Chipping Rate” es 11 MHz. Igual que la versión original. Ocupa el mismo ancho de banda. ¾ Para obtener una mayor velocidad de transmisión en el mismo ancho de banda y con la misma velocidad de chipping se utiliza un esquema de modulación llamado CCK. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 32 Capa F ísica IEEE 802.11b Física • CCK Complementary Code Keying ¾ Bastante complejo (sobre todo el receptor). La figura presenta una idea básica para 11 Mbps. Mbps ¾ Primero se incrementa la velocidad del reloj de los datos de 1 a 1.375Mbps. ¾ Los datos de entrada se procesan como bloques de 8 bits. 9 8bits/símbolo x 1.375 MHz = 11Mbps ¾ En vez de usar las secuencias de Barker se usan series de secuencias complementarias que cuentan con 64 palabras únicas que pueden usarse. 9 En contraposición a las secuencias de Barker, por CCK se pueden representar 6 bits de datos en una sola palabra y no 1 bit de datos por palabra como hacían las secuencias de Barker. ¾ La salida obtenida en la asignación, mas los dos bits adicionales, forman la entrada al modulador QPSK. Una ventaja de CCK es que sufre menos frente a distorsión multipath. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 33 Capa F ísica IEEE 802.11b Física • CCK Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 34 Capa F ísica IEEE 802.11b Física • PBCC Packet Binary Convolutional Coding. Una alternativa a CCK (opcional y no implementado con frecuencia). Alcanza una transmisión mas eficiente a cambio de mayor procesamiento en el receptor. Se propuso en 802.11b en anticipación de su necesidad para conseguir mayores velocidades de transmisión en futuras mejoras al estándar. Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 35 Capa F ísica IEEE 802.11b Física Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 36 Capa F ísica IEEE 802.11b Física Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 37 Capa F ísica IEEE 802.11b Física Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 38 Capa F ísica IEEE 802.11b Física • Formatos de la trama de Capa Física Se definen dos que difieren en la longitud del preámbulo. ¾ El preá preámbulo mas grande, grande de 144 bits, es el mismo que se usa en el esquema DSSS original de 802.11 y permite interoperabilidad con otros sistemas legados. 9 128 bits de sincronización. 9 16 bits llamados SFD (Start Frame Delimiter) Secuencia fija de 0 y 1 (1111001110100000) que marca el principio del paquete. 9 El PLCP header (48 bits) es siempre transmitido a 1 Mbps. ¾ El preá preámbulo mas corto, corto de 72 bits, provee mejoras en el throughput. 9 56 bits de sincronización. 9 SFD es el inverso para evitar confusiones con el SFD grande. 9 El PLCP header (48 bits) es siempre transmitido a 2 Mbps. ¾ Los dos preámbulos se transmiten a 1 Mbps Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 39 Capa F ísica IEEE 802.11b Física • Formatos de la trama de Capa Física “PLCP Header” ¾ Subcampos: 9 Signal: especifica la velocidad de transmisión a la cual se transmite la parte del MPDU de la trama. 9 Service: Solo 3 de los 8 bits se usan en 802.11b. 1 bit indica si la frecuencia de transmisión y el reloj de los símbolos usan el mismo oscilador local. 1 bit indica si se usa CCK o PBCC. 1 bit actúa como una extensión del subcampo de longitud (Length +1 bit). 9 Length: Indica la longitud del MPDU, de forma indirecta. Se especifica el número de microsegundos necesarios para transmitir el MPDU. Dada una tasa de bits , se puede calcular el MPDU en octetos. Para cualquier tasa de bits superior a 8Mbps, el bit de extensión de longitud del “subcampo Service” es necesario para resolver ambigüedades por redondeo. 9 CRC: Código de detección de errores de 16 bits. Protege a los campos Signal, Service y Longitud. Campo “MPDU” ¾ Consiste de un número variable de bits transmitidos a la velocidad indicada en el subcampo Signal. ¾ Antes de transmitir todos los bits del PDU de la capa física son “aleatorizados” Diciembre 05 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 40
