ANEXO B Estado Del Arte 802 11

ANEXO B: Estado del arte 802.11 Universidad de Sevilla

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ANEXO B: ESTADO DEL ARTE 802.11


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ndice de contenidos:

1. Estndares 802.11

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1.1. Nivel fsico.

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1.1.1. PHY del salto de frecuencias (FH)

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1.1.2. Las PHY de secuencia directa: DSS y HR/DSSS (802.11b).

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1.1.2.1. PHY de secuencia directa original..

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1.1.2.2. PHY de secuencia directa de alta velocidad...

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1.1.3. 802.11a: La PHY OFDM de 5 GHz...

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1.1.4. 802.11g: La PHY de velocidad extendida..

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1.2. Control de acceso al medio en 802.11...

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1.2.1. Funcin de coordinacin distribuida (DCF).

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1.2.2. Funcin de coordinacin puntual (PCF)...

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2. QoS en 802.11

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2.1. Limitaciones de DCF.

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2.2. Limitaciones de PCF..

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2.3. El estndar IEEE 802.11e.

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3. 802.11n

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3.1. Mltiples entradas/mltiples salidas (MIMO)

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3.2. Mejoras de eficiencia MAC de TGnSync.

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3.2.1. Canales, modos de radio y coexistencia

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3.2.2. Suma y rfagas...

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3.3. Ahorro de potencia.

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3.4. Estructura de un canal y velocidades bsicas MIMO

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3.5. Resumen de las ventajas de 802.11n. 39

4. Bibliografa..

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1. Estndares 802.11

Los estndares 802 ofrecen una arquitectura de niveles que admite una comparacin con los niveles 1 y 2 del modelo de referencia OSI. El nivel 2 (enlace) se subdivide en la subcapa de control de acceso al medio compartido (MAC) y subcapa de control de enlace lgico (LLC). La subcapa LLC es comn a todas las tecnologa definidas por el IEEE y no ser objeto del presente documento. La subcapa MAC se encarga de tareas como entramado, codificacin, control de errores, acceso al medio compartido (gestin del canal). Cada tecnologa definida por el IEEE comprende la definicin de su nivel fsico y subcapa MAC. As la norma IEEE 802.3 define la tecnologa Ethernet mientras que la 802.11 define la tecnologa wifi. Dentro de wifi se han definido varias versiones que podemos ver como diferentes capas fsicas.

Figura 1. Arquitecura 802.11

A continuacin, en la sub-seccin 1.1 se describir el nivel o capa fsica para las

diferentes versiones de la norma 802.11 (wifi). Posteriormente se describir la capa MAC de la norma (comn a todas las normas 802.11). Finalmente, en las secciones 2 y 3) se describirn dos tecnologas que mejoran las prestaciones recibidas por las aplicaciones wifi: 802.11e para calidad de servicio (QoS) y la norma 802.11n (que incluye QoS y MIMO).


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1.1. Nivel fsico La capa fsica se divide en dos subcapas: la subcapa de procedimiento de convergencia de la capa fsica (PLCP, Physical Layer Convergente Procedure) y la subcapa dependiente del medio fsico (PMD, Physical Medium Dependent). PLCP es el mecanismo que mapea las tramas MAC en el medio fsico. PDM es la responsable de transmitir cualquier bit que recibe de PLCP en el aire utilizando la antena. La capa fsica tambin incorpora una funcin de valoracin de canal limpio (CCA, Clear Channel Assesment) para indicar a MAC cuando se detecta una seal. En la revisin inicial de 802.11 se estandarizaron tres capas fsicas:

Capa fsica de radio de espectro disperso de Salto en frecuencia (FH, Frequency-Hoping).

Capa fsica de radio de espectro disperso de Secuencia directa (DS, Direct-Sequence)

Capa fsica de luz infrarroja (IR, Infrared Light) Posteriormente se desarrollaron tres capas fsicas ms basadas en la tecnologa de radio:

802.11a: Capa fsica de Multiplexado de divisin en frecuencia ortogonal (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

802.11b: Capa fsica de Secuencia directa de alto porcentaje (HR/DS o HR/DSSS, High-Rate Direct Sequence).

802.11g: Capa fsica de Velocidad extendida (ERP, Extended Rate PHY). 1.1.1. PHY del salto de frecuencias (FH)

Fue la primera capa fsica en extenderse ampliamente tras el primer borrador de 802.11. Los sistemas electrnicos utilizados para admitir la modulacin FH son relativamente baratos y no requieren una gran cantidad de potencia. En la actualidad la PHY de FH est prcticamente en desuso.

El salto de frecuencia depende del cambio rpido de la frecuencia de transmisin

de una manera predeterminada pseudo-aleatoria. El tiempo se divide en una serie de franjas. Un patrn de salto controla que frecuencia se utiliza en cada franja. Tanto el emisor como el receptor deben sincronizarse para que el receptor est siempre escuchando en la frecuencia del transmisor. El salto de frecuencia permite a los dispositivos evitar la interferencia con otros usuarios asignados a la misma banda de frecuencias. Las secuencias de saltos que no se superponen se denominan ortogonales. Cuando se configuran mltiples redes 802.11 en una sola rea, las secuencias de salto ortogonales maximizan el rendimiento.

El mtodo de modulacin de 802.11 codifica los bits de datos como cambios de

la frecuencia de transmisin desde el centro del canal. Los canales se dividen por sus frecuencias centrales que empiezan a 2,400 GHz para el canal 0. Los canales sucesivos se calculan aadiendo pasos de 1 MHz: el canal 1 tiene una frecuencia de 2, 401 GHz, el canal 2 tiene una frecuencia de 2,402 GHz y as sucesivamente hasta el canal 95 a


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2,495 GHz. En el dominio normativo de Espaa se emplean los canales del 47 al 73 (2,447-2,473 GHz). Es posible unirse a una red de saltos de frecuencia gracias a la estandarizacin de las secuencias de saltos. Las tramas Beacon en redes FH incluyen una grabacin de tiempo y el elemento conjunto de parmetros FH. Este elemento incluye el nmero de patrn de saltos y un ndice de saltos. Basndose en el nmero de secuencia de salto, la estacin sabe cual es el orden del canal de salto.

La PHY de FH utiliza Claves de cambio de frecuencia Gaussianas (GFSK,

Gaussian Frequency Shift Keying). Las claves de cambio de frecuencia codifican datos como una serie de cambios en la frecuencia de una portadora. Una gran ventaja es que las modulaciones en frecuencia suelen ser relativamente inmunes al ruido. GFSK confina las emisiones a una banda espectral relativamente estrecha, y por tanto, es apropiado para usuarios secundarios ya que reduce el potencial de interferencias.

La implantacin GFSK bsica recibe el nombre de GFSK de nivel 2 (2GFSK).

Se utilizan dos frecuencias diferentes dependiendo de si los datos que se van a transmitir son 0 1. Para transmitir 1, la frecuencia de la portadora se incrementa en una determinada desviacin. Cero se codifica disminuyendo la frecuencia en la misma desviacin.

Figura 2. GFSK de nivel 2

La velocidad a la que se transmiten los datos a travs del sistema se denomina

velocidad de smbolo. Para determinar la frecuencia de la portadora se necesitan varios ciclos, por ello la velocidad de smbolo es una fraccin mucho menor que la frecuencia de portadora. Aunque la frecuencia de la portadora es de casi 2,4 mil millones de ciclos por segundo, la velocidad de smbolo es de solo 1 2 millones de ciclos por segundo.

GFSK de nivel 4 utiliza la misma solucin bsica que 2GFSK pero con cuatro

smbolos en lugar de con dos. Los cuatro smbolos se corresponden cada uno con una frecuencia discreta y, por consiguiente, 4GFSK transmite dos veces ms datos a la misma velocidad de smbolos. Por todo esto 4GFSK requiere transmisores y receptores ms complejos.


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Figura 3. GFSK de nivel 4

Antes de modular una trama en la portadora de RF, se deben preparar las tramas MAC a travs del Procedimiento de convergencia de la capa fsica (PLCP). 802.11 permite a cada capa fsica algn tipo de flexibilidad a la hora de preparar las tramas MAC para su transmisin sobre el aire. El PLCP para la PHY de FH aade un encabezado de cinco campos a la trama que recibe de MAC. El PLCP es una transmisin entre el MAC y el medio fsico dependiente de una interfaz radio. Las tramas pasadas a MAC son unidades de datos de servicio PLCP (PSDU, PLCP Service Data Unit).

Figura 4. Marcos PLCP en la PHY FH

Prembulo: Sincroniza el trasmisor con el receptor y calcula relaciones de cronometraje comunes. Est compuesto por el campo sincronizacin (Sync) y el campo Delimitador del inicio de trama (SFD, Start Frame Delimiter).

Sincronizacin: El campo Sincronizacin (Sync) tiene 80 bits de longitud y est compuesto por una secuencia alternativa de ceros y unos (01010101.01). Las estaciones buscan el patrn de sincronizacin para prepararse para recibir datos.


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Delimitador de inicio de trama: El SFD seala el final del prembulo e indica el comienzo de la trama. La PHY de FH utiliza un SFD de 16 bits: 0000 1100 1011 1101.

Encabezado: El encabezado (header) PLCP sigue al prembulo. Est compuesto por tres campos: un campo de longitud, un campo de velocidad y una secuencia de comprobacin de trama.

Palabra de longitud PSDU: El primer campo del encabezado PLCP en el campo de Palabra de longitud de PSDU (PLW, PSDU Lenght Word). LA carga til de la trama PLCP en una trama MAC puede ser de hasta 4095 bytes.

Sealizacin PLCP: El primer bit transmitido se reserva y se pone a 0. Los bits 1 al 3 del campo de Sealizacin PLCP (PSF, PLCP Signaling Field) codifican la velocidad a la que se transmite la carga til. Aunque hay velocidades de datos en incrementos de 500 kbps desde 1 Mbps a 4,5 Mbps, el esquema de modulacin se ha definido solo para 1,0 Mbps y 2,0 Mbps.

Comprobacin de errores del encabezado: Para proteger el encabezado PLCP frente a errores se calcula un CRC de 16 bits sobre el encabezado y se sita en el campo Comprobacin de errores del encabezado (HEC, Header Error Check).

Para que los datos transmitidos sean ms parecidos a un ruido blanco aleatorio,

las PHY de FH aplican un algoritmo de blanqueo a la trama MAC. Este algoritmo mezcla los datos antes de la transmisin por radio. El PMD de salto de frecuencia bsico permite la transmisin de datos a 1,0 Mbps. Para la PHY de FH existe un segundo PMD de velocidad superior. Igual que con el PMD de 1,0 Mbps, se anexa el encabezado PLCP y se transmite a 1,0 Mbps utilizando 2GFSK. El cuerpo de la trama se transmite empleando 4GFSK a 1 milln de smbolos por segundo, lo que proporciona una velocidad de 2,0 Mbps.

Parmetro Valor Tiempo de franja 50 s Tiempo SIFS 28 s

Tamao de la ventana 15-1023 de contencin franjas Duracin del Prembulo 96 s Duracin del encabezado PLCP 32 s

Trama MAC mxima 4095 bytes Sensibilidad mxima -80dBm

Parmetros de PHY FH


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1.1.2. Las PHY de secuencia directa: DSS y HR/DSSS (802.11b) La capa fsica DSSS en 802.11 tena velocidades de datos de 1 y 2 Mbps. En 1999, se especific una PHY con velocidades de datos de 5,5 y 11 Mbps en 802.11b. Las antiguas capas fsicas de 1 y 2 Mbps y las modernas de 5,5 y 11 Mbps se combinan en una sola interfaz, aunque se describen en distintas especificaciones. La solucin bsica de las tcnicas de secuencia directa es propagar la energa RF sobre una banda ancha y los receptores pueden ejecutar procesos correlativos para buscar cambios. Mostramos la solucin en la siguiente figura:

Figura 5. Tcnica DSSS bsica

Una seal de banda estrecha se procesa a travs de un propagador que aplica una transformacin matemtica para recoger una entrada de banda estrecha y nivelar la amplitud a travs de una banda de frecuencias relativamente ancha. Los receptores pueden supervisar una banda de frecuencia ancha y buscar cambios que se producen a travs de toda la banda. La seal original se puede recuperar con un correlacionador que invierte el proceso de propagacin. Las transmisiones de secuencia directa tienen una gran proteccin frente al ruido. El ruido suele ser una seal de banda estrecha que, por definicin, no produce efectos coherentes por toda la banda de frecuencia. La funcin de correlacin propaga el ruido por toda la banda y la seal correlacionada destaca.

Figura 6. Propagacin del ruido a travs del proceso de correlacin

La modulacin de secuencia directa funciona aplicando una secuencia de chips para el flujo de datos. Los chips son nmeros binarios usados en el proceso de codificacin. Para cada bit de datos se utilizan diversos chips. El flujo de chips est compuesto por un cdigo de x bits. Se combina con un solo bit de datos para producir x chips que transportan el nico bit de datos. El proceso de codificar una seal con una velocidad de bits baja a una velocidad de chips alta tiene el efecto secundario de propagar la potencia de la seal sobre un ancho de banda ms amplio. La velocidad de propagacin es la cantidad de chips utilizada para transmitir un solo bit. Las velocidades de propagacin altas mejoran la capacidad de recuperar la seal transmitida pero requieren una banda de frecuencia mayor. En el diseo de sistemas de secuencia directa, la velocidad de propagacin debe de ser lo ms baja posible para satisfacer los


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requerimientos de diseo y evitar la prdida de ancho de banda. La modulacin de secuencia directa requiere ms espectro en comparacin con la modulacin tradicional de banda estrecha y es mucho ms lenta. Sin embargo, puede coexistir con otras fuentes de interferencia ya que la funcin de correlacin del receptor elimina el ruido de banda estrecha. Para la codificacin de un bit se ha optado por el empleo de una palabra Barker de 11 bits, la razn es las buenas propiedades de autocorrelacin que tienen dichas palabras. Las PHY DS tienen 14 canales en la banda de los 2,4 Ghz y 5 MHz de ancho. El canal 1 se coloca a 2,412GHz, el 2 a 2,417 GHz y as hasta el canal 13 a 2,472 GHz. En Espaa se usan los canales del 10 al 11 (2,457-2,462 MHz). Dentro de un canal la mayor parte de la energa se propaga a travs de una banda de 22 MHz. Como la PHY DS utiliza un reloj de chip de 11 MHz, la energa se propaga desde el centro del canal en mltiplos de 11 MHz. Para evitar la interferencia en canales adyacentes, el primer lbulo se filtra a 30 dB por debajo de la frecuencia central y los lbulos adicionales se filtran a 50 dB por debajo de la potencia de la frecuencia central. Una vez colocados los filtros de transmisin, la potencia RF se confina en las bandas de frecuencia de 22 MHz. La legislacin europea limita la potencia mxima radiada a 100 mW.

Figura 7. Energa propagada en un solo canal de transmisin DS 802.11 El Cifrado de desfase diferencial (DPSK, Differential Phase Shift Keying) es la base de los sistemas de secuencia directa 802.11. Este sistema codifica los datos en los desfases de la seal transmitida. PSK resiste a la interferencia ya que la mayora de las interferencias producen cambios en la amplitud. La forma ms simple de PSK utiliza dos ondas de portadora, modificadas por un medio ciclo que relaciona a ambas. Una onda, la onda de referencia, se utiliza para codificar un 0; la onda modificada por el medio ciclo se utiliza para codificar un 1.


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Figura 8. Codificacin DBPSK

El Cifrado de desfase de cuadratura diferencial (DQPSK, Differential Quadrature Phase Shift Keying ) utiliza una onda fundamental y tres ondas adicionales, cada una modificada por un cuarto de ciclo. El mecanismo de cuatro niveles tiene un rendimiento superior que el DBPSK. Su principal limitacin es la interferencia de mltiples rutas que provoca que los frentes de onda lleguen ms tarde de lo esperado.


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Figura 9. Codificacin DQPSK

1.1.2.1. PHY de secuencia directa original El PLCP para la PHY DS aade un encabezado de seis campos a las tramas que recibe desde MAC. La PHY DS utiliza un blanqueo de datos aleatorios antes de su transmisin, pero el blanqueo de datos se aplica slo a la trama MAC final del encabezado PLCP. La PHY DS tiene una funcin similar denominada codificador (scrambler), que se aplica a toda la trama de secuencia directa.

Figura 10. Entramado PLCP de DS

Prembulo: Sincroniza el trasmisor con el receptor y calcula relaciones de cronometraje comunes. Est compuesto por el campo sincronizacin (Sync) y el campo Delimitador del inicio de trama (SFD, Start Frame Delimiter).

Sincronizacin: El campo Sincronizacin (Sync) tiene 128 bits de longitud y est compuesto totalmente de 1. Al contrario que la PHY FH este campo se codifica antes de la transmisin.

Delimitador de inicio de trama: El SFD seala el final del prembulo e indica el comienzo de la trama. Este campo se establece en 0000 0101 1100 1111.

Encabezado: El encabezado (header) PLCP sigue al prembulo. Est compuesto por cuatro campos: un campo de sealizacin, un campo de identificacin del servicio, un campo de longitud y una secuencia de comprobacin de trama.

Seal: El campo seal lo utiliza el receptor para identificar la velocidad de transmisin de trama.

Servicio: Este campo se reserva para uso futuro y tiene que ir todo a 0. Longitud: El campo de longitud se establece el nmero de

microsegundos necesarios para transmitir la trama como entero de 16 bits sin signo.


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Comprobacin de errores del encabezado: Para proteger el encabezado PLCP frente a errores se calcula un CRC de 16 bits sobre el encabezado.

En el modo de baja velocidad de datos, el PMD de secuencia directa permite que

la transmisin de datos se lleve a 1,0 Mbps. Se anexa el encabezado PLCP a las tramas que llegan desde MAC y toda la unidad se cifra. La secuencia resultante se transmite empleando DBPSK. La transmisin a 2,0 Mbps utiliza dos esquemas de codificacin. El prembulo PLCP y el encabezado se transmiten a 1,0 Mbps usando la codificacin DBPSK. Tras esto se cambia a la modulacin DQPSK para proporcionar un servicio de 2,0 Mbps.


Tamao de la ventana De 31 a de contencin 1023 franjas

Duracin del Prembulo 144 s Duracin del encabezado PLCP 48 s

Trama MAC mxima Entre 4 y 8191 bytes Sensibilidad mxima -80dBm

Rechazo de canal adyacente 35dB

Parmetros de PHY DS

El cifrado de cdigo complementario (CCK, Complementary Code Keying) divide el flujo de chips en una serie de smbolos de cdigo de 8 bits, por lo que la transmisin se basa en una serie de smbolos de cdigo de 1,375 millones por segundo. CCK se basa en transformaciones matemticas complejas que permiten el uso de algunas secuencias de 8 bits para codificar 4 o incluso 8 bits por palabra en clave, para un rendimiento de datos de 5,5 Mbps u 11 Mbps. No se utilizan palabras en clave de repeticin como las de Barker, las palabras clave se deducen parcialmente de los datos. CCK utiliza la palabra en clave para llevar informacin as como para propagar simplemente la seal. Para preparar una palabra en clave compleja de 8 bits se utilizan diversos ngulos de fase. 1.1.2.2. PHY de secuencia directa de alta velocidad La PHY de secuencia directa de alta velocidad se ejecuta a una velocidad de 11 Mbps. Para distinguirla de la PHY de secuencia directa original se abrevia como HR/DSSS. A medida que se desarrollaba una nueva PHY, los creadores de 802.11b proponan un nuevo formato de trama que empleaba encabezados cortos mejorando as la eficiencia del protocolo. El uso de encabezados cortos recorta el prembulo y la sobrecarga de tramas PLCP en un 14 por ciento.


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Figura 11. Entramado PLCP de HR/DSSS

Prembulo: Las tramas empiezan con el Prembulo (Preamble), que est compuesto por el campo Sincronizacin (Sync) y el campo SFD. El prembulo se transmite a 1,0 Mbps usando DBPSK.

Sincronizacin larga: El campo Sincronizacin larga (Long Sync) est compuesto por 128 bits. Se procesa a travs del codificador antes de la transmisin.

Sincronizacin corta: El campo Sincronizacin corta (Short Sync) est compuesto por 56 bits de cero. Se procesa a travs del codificador antes de la transmisin.

SFD largo: Para indicar el final del campo Sincronizacin, el prembulo largo concluye con un Delimitador de inicio de trama (SFD, Start of Frame Delimiter). En el PLCP largo, el SFD de secuencia 1111 0011 1010 0000.

SFD corto: El SFD corto es el inverso del SFD largo.

El encabezado PLCP sigue al prembulo. Est compuesto por los campos Seal (Signal), Servicio (Service), Length (Longitud) y CRC. El encabezado largo se transmite a 1,0 Mbps usando DBPSK. El propsito del encabezado corto es reducir el tiempo de transmisin de sobrecarga por lo que se transmite a 2,0 Mbps utilizando DQPSK.

Seal larga: El campo seal larga indica la velocidad y el mtodo de

transmisin de la trama MAC adjunta. Cuatro valores: 1Mbps, 2 Mbps, 5,5 Mbps y 11 Mbps.

Seal corta: El campo seal corta indica la velocidad y el mtodo de transmisin de la trama adjunta. Los prembulos cortos se pueden utilizar slo con redes de 2 Mbps, 5,5 Mbps y 11 Mbps.

Servicio: El octavo bit del campo se utiliza para extender el campo longitud a 17 bits. El tercer bit indica si se emplean relojes bloqueados, un reloj


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bloqueado significa que la frecuencia de transmisin y el reloj de smbolo utilizan el mismo oscilador. El cuarto bit indica el tipo de codificacin utilizado por el paquete, que puede ser 0 para CCK o 1 para PBCC.

Longitud: El campo de longitud se establece el nmero de microsegundos necesarios para transmitir la trama como entero de 16 bits sin signo.

Comprobacin de errores del encabezado: Para proteger el encabezado PLCP frente a errores se calcula un CRC de 16 bits sobre el encabezado. Los clculos CRC se llevan a cabo antes de la codificacin de los datos.

Para asegurar la compatibilidad hacia atrs con el hardware de secuencia directa basado en 802.11b instalado, la PHY HR/DSSS puede transmitir y recibir a 1,0 Mbps o a 2,0 Mbps. En la transmisin a 5,5 Mbps se codifican cuatro bits de datos en un smbolo, dos bits se transportan usando DQPSK convencional y los otros dos se transportan a travs del contenido de las palabras en clave empleando CCK. Para llegar a 11 Mbps, se tienen que codificar 8 bits con cada smbolo. Los primero dos bits se codifican a travs del desfase del smbolo transmitido con relacin al smbolo anterior. Se codifican 6 bits usando CCK.

Figura 12. Transmisin 802.11b a 11Mbps

1. La trama MAC incrustada en la trama PLCP se divide en una cadena de bloques de 8 bits. Cada cadena de 8 bits se divide a su vez en cuatro segmentos de 2 bits.

2. El primer segmento de 2 bits se codifica por medio de un desfase tipo DQPSK entre el smbolo actual y el smbolo anterior.

3. Los seis bits restantes se agrupan en pares sucesivos. Cada par se asocia con el ngulo de fase correspondiente y se utiliza para deducir la palabra clave.

802.11b incluye dos caractersticas opcionales de la capa fsica, ninguna de las

cuales se utiliza ampliamente. Una de ellas es la Codificacin de circunvolucin binaria de paquete (PBCC, Packet Binary Convolutional Coding) que se propuso como mtodo de alcanzar la velocidad de 11 Mbps. Para evitar las interferencias se propuso el empleo de la agilidad de canal. Esta opcin produce que el canal central cambie peridicamente en el salto para evitar la interferencia.


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Tamao de la ventana De 31 a de contencin 1023 franjas

Duracin del Prembulo 144 s Duracin del encabezado PLCP 48 s

Trama MAC mxima 4095 bytes Sensibilidad mxima -76dBm

Rechazo de canal adyacente 35dB

Parmetros de PHY HR/DSSS

1.1.3. 802.11a: La PHY OFDM de 5 GHz

802.11a se basa en el Multiplexado de divisin de frecuencias (OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing), tambin llamada modulacin por multitono discreto, en ingls Discrete Multitone Modulation (DMT).OFDM es una modulacin que consiste en enviar la informacin modulando en QAM o en PSK un conjunto de portadoras de diferente frecuencia.

Normalmente se realiza la modulacin OFDM tras pasar la seal por un codificador de canal con el objetivo de corregir los errores producidos en la transmisin, entonces esta modulacin se denomina COFDM, del ingls Coded OFDM.

La modulacin OFDM es muy robusta frente al multitrayecto, que es muy habitual en los canales de radiodifusin, frente al desvanecimiento debido a las condiciones meteorolgicas y frente a las interferencias de RF.

Debido a las caractersticas de esta modulacin, las distintas seales con distintos retardos y amplitudes que llegan al receptor contribuyen positivamente a la recepcin, por lo que existe la posibilidad de crear redes de radiodifusin de frecuencia nica sin que existan problemas de interferencia.

OFDM divide el ancho de banda disponible en sectores denominados portadoras

o subportadoras y hacen que dichas portadoras estn disponibles como canales distintos para la transmisin de datos. OFDM incrementa el rendimiento utilizando diversas subportadoras en paralelo y realizando un multiplexado de datos sobre el conjunto de las subportadoras. Para evitar el desperdicio de ancho de banda de FDM tradicional debido a las bandas de proteccin, OFDM selecciona canales superpuestos pero que no interfieran entre s. La capacidad para separar las portadoras crea una relacin matemtica compleja denominada ortogonalidad.


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FDM frente a OFDM

Figura 13. Ortogonalidad en el dominio de la frecuencia Vemos como en el pico de cada subportadora el resto tienen amplitud cero. La informacin est contenida en el punto de la parte superior. OFDM recoge la seal codificada en cada subcanal y utiliza la IFFT para crear una forma de onda compuesta a partir de la fuerza de cada subcanal. Los receptores de OFDM pueden aplicar entonces FFT a una forma de onda recibida para extraer la amplitud de cada subportadora. Con OFDM la interferencia entre smbolos (ISI, Inter-Symbol Interference) no supone un serio problema. OFDM separa la forma de onda recibida en la fuerza de las subportadoras, por lo que puede ignorar los comportamientos de alta frecuencia llegados posteriormente. El precio que hay que pagar es el fenmeno denominado Interferencia entre portadoras (ICI, Inter-Carrier Interference) debido a pequeos desfases en las frecuencias de las subportadoras, originados por efecto Doppler o ligeras diferencias entre el reloj del transmisor y del receptor.

Para contrarrestar el ISI y el ICI, los transceptores OFDM reservan la parte inicial del tiempo de smbolo como tiempo de proteccin y ejecutan la FFT solo en la parte del tiempo de smbolo sin proteccin. El tiempo de proteccin reduce el rendimiento general del sistema, ya que durante ese tiempo no se estn transmitiendo datos. Un tiempo de proteccin demasiado corto puede que no reduzca las interferencias pero mejora el rendimiento y un tiempo de proteccin demasiado largo puede reducir el rendimiento en exceso.


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Otro importante adelanto fue la introduccin del uso del prefijo cclico o extensin cclica, resolviendo el problema de la ortogonalidad. En lugar de usar un tiempo de proteccin vaco, lo rellenaron con una extensin cclica del smbolo OFDM. As se puede simular el desarrollo de la convolucin cclica del canal, lo cual implica la ortogonalidad sobre los canales dispersivos cuando la longitud del prefijo cclico sea mayor que la respuesta impulsiva del canal.

Para evitar las componentes de alta frecuencia originadas en los lmites del

tiempo de smbolo debidos a cambios abruptos de la seal se introdujeron las ventanas. La utilizacin de ventanas es una tcnica utilizada para hacer que la seal para un nuevo smbolo llegue gradualmente a su fuerza completa mientras que permite que se desvanezca el antiguo smbolo.

Figura 14. Tcnica de ventanas de coseno

El tiempo de proteccin debe ser dos o cuatro veces ms que la propagacin retardada para obtener unas especificaciones de velocidad de bits adecuadas. Se suele tomar un tiempo de proteccin de 800 ns. La duracin del smbolo debe ser mucho mayor que el tiempo de proteccin. Los tiempo de smbolo superiores significan que se pueden encajar ms subportadoras dentro del tiempo de smbolo a expensas de incrementar el coste y la complejidad del dispositivo resultante. Se suele tomar un valor de cuatro o cinco veces el tiempo de proteccin, unos 4 s. El espaciado de subportadora est inversamente relacionado con el tiempo de integracin FFT. 802.11a tiene un tiempo de integracin de 3,2 s y un espaciado de subportadora de 0,3125 MHz (1/3,2 s). La capa fsica OFDM organiza el espectro en canales operativos. Cada canal de 20 MHz est compuesto por 52 subportadoras, 4 de las cuales se utilizan como portadoras piloto para supervisar los desfases de rutas e ICI mientras que las otras 48 se utilizan para transmitir datos. Los canales se numeran de -26 a 26.

802.11a utiliza una tcnica denominada Modulacin de amplitud de cuadratura (QAM, Quadrature Amplitude Modulation). La modulacin QAM consiste en modular por desplazamiento en amplitud de forma independiente, dos seales portadoras que tienen la misma frecuencia pero que estn desfasadas entre si 90. La seal modulada QAM es el resultado de sumar ambas seales ASK. Estas pueden operar por el mismo canal sin interferencia mutua porque sus portadoras estn en cuadratura. En los sistemas digitales los componentes de cada onda se cuantifican a unos determinados niveles formando una constelacin de valores admitidos. La capacidad total de un canal de radio se obtiene multiplicando la cantidad de subcanales por la cantidad de bits por canal. Un canal de radio que utiliza 64 QAM en cada subcanal puede transportar seis


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bits por canal. En 802.11a, existen 48 subcanales que proporcionan una capacidad de 288 bits por canal.

Figura 15. Constelaciones usadas por la 802.11a

Dentro de un canal operativo hay 48 subportadoras, el flujo de bits codificados se asigna a cada subportadora en funcin de un par de reglas de intercalacin. La primera asegura que los bits en secuencia se transmiten sobre subportadoras muy separadas y la segunda que los bits en secuencia se asignan a diferentes puntos de la constelacin.

Los canales en la banda de 5 GHz se numeran al inicio de cada 5 MHz segn las siguientes frmulas:

frecuencia central (MHz) = 5,000 + 5 x n, n = 0,1,2,..199

frecuencia central (MHz) = 5,000 - 5 x (256 n), n = 240,241,..255

Cada canal 802.11a de 20 MHz ocupa cuatro nmeros de canal. La canalizacin europea se aadi como parte de 802.11h a finales de 2003.


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Frecuencia Potencia permitida Nmeros de canal Frecuencia central (GHz) 5.470-5.725 1 W EIRP 100

104

108

112

116

120

124

128

132

136

140

5.500

5.520

5.540

5.560

5.580

5.600

5.620

5.640

5.660

5.680

5.700

Canales operativos para 802.11a en Europa

La PHY de OFDM aade un prembulo y un encabezado PLCP. Tambin aade bits al final para ayudar a los esquemas de codificacin utilizados.

Figura 16. Formato de trama PLCP de OFDM

Figura 17. Prembulo e inicio de trama


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La unidad de protocolo fsico OFDM empieza con un prembulo compuesto por

12 smbolos OFDM. Los 10 primeros smbolos son una secuencia de formacin corta que utiliza el receptor para bloquear la seal, seleccionar una antena y sincronizar las relaciones de cronometraje a gran escala. Se transmiten sin un periodo de proteccin. Dos secuencias de formacin largas la siguen. Estas secuencias ajustan la adquisicin del cronometraje y estn protegidas por un intervalo de proteccin. Los campos del encabezado PLCP son:

Velocidad (4bits): Cuatro bits codifican la velocidad de datos.

Data rate (Mbps) Bits (transmission order) 6 1101

9 1111

12 0101

18 0111

24 1001

36 1011

48 0001

54 0011

Longitud (12 bits): 12 bits codifican el nmero de bytes en la trama MAC incrustada. La longitud se procesa mediante un cdigo de circunvolucin para protegerlo frente a errores de bits.

Paridad (1bit) y Reservado (1bit) Cola: El campo Seal finaliza con seis 0 utilizados para deshacer el cdigo de

circunvolucin. Servicio (16 bits): Al contrario que otros campos del encabezado PLCP, se

transmite en el campo Datos de la unidad de protocolo fsico a la velocidad de datos de la trama MAC.

El campo datos de la unidad de protocolo fsico finaliza con una cola. Est

compuesto por dos campos:

Cola (6bits): Hacen que finalice correctamente el cdigo de circunvolucin. Relleno (variable): La 802.11a requiere la transmisin de bloques de bits de

datos de tamao fijo. El tamao del bloque depende de la modulacin y codificacin utilizada por la velocidad de datos.

Existen 4 niveles en la PHY OFDM: 6 y 9 Mbps, 12 y 18 Mbps, 24 y 36 Mbps y 48

y 54 Mbps. El nivel ms bajo utiliza el Cifrado de desfase binario (BPSK, Binary Phase Shift Keying) para codificar un bit por canal o 48 bits por smbolo. La codificacin de circunvolucin significa que la mitad o un cuarto de los bits son redundantes utilizados para la correccin de errores por lo que slo existen 24 36 bits de datos por smbolo. El siguiente nivel utiliza el Cifrado de desfase de cuadratura (QPSK, Quadrature Phase Shift Keying) para codificar 2 bits por subcanal, para un total de 96 bits por smbolo. Tras restar la sobrecarga al receptor le quedan 48 72 bits de datos. El tercer y cuarto niveles utilizan formas generalizadas de BPSK y QPSK conocidas como QAM. El


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tercer nivel codifica 16 QAM junto con los cdigos de circunvolucin R = 1/2 y R = 3/4. Para conseguir velocidades superiores con 64 QAM los cdigos de circunvolucin utilizan R = 2/3 y R = 3/4.

Detalles de codificacin para diferentes velocidades de datos OFDM

Velocidad (Mbps)

Relacin de modulacin y codificacin (R)

Bits codificados por portadora a

Bits codificados por smbolo

Bits de datos por smbolo b

6 BPSK, R=1/2 1 48 24 9 BPSK, R=3/4 1 48 36 12 QPSK, R=1/2 2 96 48 18 QPSK, R=3/4 2 96 72 24 16-QAM, R=1/2 4 192 96 36 16-QAM, R=3/4 4 192 144 48 64-QAM, R=2/3 6 288 192 54 64-QAM, R=3/4 6 288 216 72 64-QAM 6 288 288 a Los bits por canal se codifican en funcin de la modulacin(BPSK, QPSK, 16-QAM, o 64-QAM).

b Los bits de datos por smbolo son una funcin de la relacin del cdigo de circunvolucin

Parmetro Valor Tiempo de franja 9 s

Tiempo SIFS 16 s Tamao de la ventana De 15 a

de contencin 1023 franjas Duracin del Prembulo 20 s

Duracin del encabezado PLCP 4 s Trama MAC mxima 4095 bytes

Sensibilidad del receptor De -65 a -82 dBm

Parmetros de PHY OFDM


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1.1.4. 802.11g: La PHY de velocidad extendida

Los usuarios de 802.11b requeran mayores velocidades a la vez que queran conservar la compatibilidad hacia atrs con el hardware 802.11b instalado. El resultado es 802.11g, que ofrece una velocidad de bits mayor que 802.11a a la vez que sigue funcionando en la banda de microondas. La 802.11g aade una clusula que comprende la PHY de velocidad extendida (ERP, Extended Rate PHY). Existen varios tipos de ERP:

ERP-DSSS y ERP-CCK: Estos modos son compatibles hacia atrs con la especificacin de secuencia directa original (1 Mbps y 2 Mbps) as como con las mejoras de 802.11b (5,5 Mbps y 11 Mbps).

ERP-OFDM: ste es el modo principal de 802.11g. Bsicamente ejecuta 802.11a en la banda de frecuencia ISM (2,5 GHz) con algunos cambios menores para permitir compatibilidad hacia atrs. Admite las mismas velocidades que 802.11a: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54Mbps. Las velocidades de 6, 12 y 24 son obligatorias.

ERP-PBCC: sta es una extensin para el estndar PBC proporcionado en 802.11b y proporciona velocidades de datos de 22 y 23 Mbps. No se utiliza ampliamente.

DSSS-OFDM: ste es un esquema hbrido que codifica los paquetes utilizados encabezados DSSS y la codificacin OFDM de la carga til. No se utiliza ampliamente.

Para tener compatibilidad hacia atrs, los dispositivos 802.11g necesitan admitir la

modulacin DSSS (802.11) a 1 y 2 Mbps y la modulacin CCK (802.11b) a 5,5 y 11 Mbps. Se requiere una compatibilidad bsica con OFDM y todas las estaciones 802.11g necesitan admitir la modulacin OFDM a 6, 12 y 24 Mbps.

Una de las principales diferencias existentes entre 802.11b y 802.11g es la

proteccin, necesaria por la asimetra existente. Los chips de 802.11g pueden descodificar y recibir la seal 802.11b, pero los chips de 802.11b no pueden recibir y descodificar las transmisiones de velocidad superior de 802.11g. Una posible solucin es requerir que las estaciones 802.11g transmitan a una velocidad admitida por todos los usuarios de la BSS.

La segunda solucin es evitar las interferencias entre las redes 802.11g y 802.11b.

Para asegurarse que las estaciones 802.11b no escuchan las transmisiones 802.11g, ste especifica un mecanismo de proteccin para proteger a las estaciones 802.11b de las interferencias. Para evitar interferencias durante la transmisin de la trama OFDM y su acuse de recibo, se enva una trama ms lenta para actualizar el NAV. Hay dos modos principales de proteccin. En el primero las estaciones 802.11g envan una trama CTS con una direccin de receptor de su propia direccin MAC. Aunque se enva la CTS a s misma todas las estaciones de la red tienen que escuchar las tramas CTS y actualizar su NAV en consecuencia. La trama CTS se enva a la velocidad mxima posible utilizando una modulacin que puede recibirse en todas las estaciones. Luego, la estacin que va a transmitir enva los datos y el acuse de recibo modulados en OFDM.


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El segundo mecanismo es un intercambio RTS/CTS completo. Es un mecanismo mucho ms robusto en cuanto a nodos ocultos pero tiene un gran coste en cuanto a capacidad de red se refiere.

Figura 18. Visin general del mecanismo de proteccin Para asegurarse de que se reciben las tramas y todas las estaciones de la red las

procesan, las tramas de proteccin se envan usando las reglas de 802.11b. Pueden transmitirse utilizando el cifrado de desfase a 1 2 Mbps, o CCK a 5,5 u 11 Mbps. Cualquier estacin puede escuchar estas modulaciones y puede actualizar en consecuencia su escucha de portadora virtual.

La proteccin se controla a travs del elemento de informacin ERP en las tramas

Beacon. 802.11g aade un bit Utilizar proteccin (Use Protection) a un elemento de proteccin en la Beacon. Cuando se establece este bit, las estaciones tienen que utilizar la proteccin. En las redes de infraestructura, la activacin de la proteccin la controlan los puntos de acceso, en redes independientes es el generador de la Beacon. Las Beacon en redes 802.11g tambin pueden controlar el tamao del prembulo por motivos de proteccin.

Las capas fsicas ERP-PBCC y DSSS-OFDM no requieren proteccin. Ambas

empiezan con un encabezado compatible con 802.11b y, por consiguiente, se actualizan la escucha de portadora virtual y el NAV sin necesidad de enviar tramas adicionales.


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Aunque la estacin 802.11b no puede detectar el cuerpo de la trama, evitar la interferencia a travs del encabezado.

Figura 19. Formato de tramas ERP-PBCC y DSSS-OFDM Todas las estaciones tienen que soportar las tramas ERP-OFDM. El formato de

la trama ERP-OFDM en la capa fsica es casi idntica a la de 802.11a. ERP-OFDM utiliza una unidad de datos de protocolo lgico idntica. La nica diferencia importante respecto a la 802.11a es que tras la trama sigue un tiempo de inactividad de 6 s denominado extensin de seal, que se utiliza para clculos de tramas y velocidades de trama idntica a 802.11a. Para conseguir la compatibilidad hacia atrs, 802.11g utiliza el tiempo de inactividad de 10 s empleado por 802.11b.

Figura 20. Formato de las tramas ERP-OFDM PLCP


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Tambin se pueden utilizar tramas compatibles con 802.11b directamente alrededor del cuerpo de la trama de la velocidad superior. Las tramas tradicionales se utilizan tanto con la codificacin de circunvolucin binaria de paquetes como con la capa DSSS-OFDM.

Figura 21. Formato de la trama ERP PLCP de prembulo largo

Prembulo: El prembulo es idntico al prembulo de 802.11b. Antes de la modulacin, los datos se codifican igual que en 802.11b.

Encabezado PLCP: Est compuesto por los campos Seal, Servicio, Longitud y una comprobacin CRC de la capa PLCP.

Seal: El campo Seal se utiliza para mostrar la velocidad a la que se modula la carga til de PLCP (la trama MAC). El campo seal no es necesario para indicarle al receptor cual es la velocidad de codificacin de una trama DSSS-OFDM porque existe un encabezado OFDM independiente que ejecuta dicha tarea.

Servicio: Contiene bits de control para ayudar al receptor a descodificar la trama, los bits 0, 1 y 4 se reservan y tienen que estar establecidos en 0. En todas las estaciones 802.11g, se bloquean los relojes de transmisin y de smbolo por lo que el bit 2 siempre se establece en 1. El bit 3 se establece cuando se modula el cuerpo de la trama con PBCC y se establece en cero para las modulaciones DSSS, CCK y DSSS-OFDM. Los tres ltimos bits de la extensin se utilizan para ayudar a los receptores a determinar la longitud de la trama en bytes desde el campo longitud.

Cuerpo de la trama: El componente final de la trama PLCP es su carga til, que es la trama MAC modulada por PBCC o por OFDM.

Para transmitir una trama utilizando PBCC, la trama se descompone en

elementos de 2 bits y se utilizan como entrada en un cdigo de circunvolucin que ofrece como salida tres bits. A cada bloque de tres bits se le asigna a un smbolo que utiliza 8PSK. Conseguir una velocidad de datos de 22 Mbps con esta codificacin fsica es sencillo. El reloj del smbolo contina ejecutndose a 11 MHz, igual que en 802.11b, pero cada smbolo ahora puede transmitir dos bits. Para ejecutar el smbolo a 33 Mbps, la velocidad del mismo para la parte de datos de la trama tiene que incrementarse a 16,5 MHz. A dos bits por smbolo, la velocidad de datos total es de 33 Mbps.

DSSS-OFDM es una tcnica de tramas hbrida. El paquete de la capa superior se

codifica con OFDM y se crean tramas del paquete modulado en OFDM con el encabezado tradicional de una sola portadora. Aunque similar a la codificacin utilizada en 802.11a, las tramas DSSS-OFDM eliminan las secuencias de formacin cortas


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iniciales. Tambin aade un campo de extensin de seal de 6 s para permitir que finalice el tiempo adicional de la descodificacin de circunvolucin.

Figura 22. Formato de trama DSSS-OFDM

Parmetro Valor Tiempo de franja 20 s 9 s

Tiempo SIFS 10 s Tamao de la ventana De 15 a

de contencin 1023 franjas Duracin del Prembulo 20 s

Tiempo de extensin de seal 6 s Trama MAC mxima 4095 bytes

Parmetros de PHY ERP


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1.2. Control de acceso al medio en 802.11

La capa MAC de IEEE 802.11 se encarga de los procedimientos de control de acceso a los canales, del direccionamiento de PDU, del formato de tramas, comprobacin de errores, fragmentacin y reensamblado. Para la entrega fiable de datos libre de errores se emplean tramas de confirmacin (ACK) que se envan a la estacin origen del mensaje. Si en un intervalo de tiempo no se recibe la confirmacin, la fuente retransmite la trama.

Se consideran dos mtodos de control de acceso al medio:

Protocolos de acceso distribuido, en los que la decisin para transmitir se distribuye sobre todos los nodos usando un mecanismo de deteccin de portadora. Este protocolo tiene sentido en el caso de una red ad hoc de estaciones paritarias, aunque puede ser interesante tambin en el caso de redes LAN inalmbricas que trabajen principalmente con trfico a rfagas.

Protocolos de acceso centralizado, implican una regulacin de la transmisin por una autoridad central de toma de decisiones. Propio de estaciones inalmbricas conectadas entre s y con una estacin base que acta como pasarela para una LAN troncal cableada. Es til cuando enviamos datos con requisitos de tiempo real.

El resultado final es el algoritmo MAC denominado DFWMAC (Distribution Foundation Wireless MAC) que proporciona un mecanismo de control de acceso distribuido sobre el que se ubica un control centralizado opcional. La subcapa inferior es la funcin de coordinacin distribuida (DCF, Distributed Coordination Function). La DCF utiliza un algoritmo de contencin para proporcionar acceso a la totalidad del trfico. El trfico asncrono ordinario hace uso directamente de la DCF. La funcin de coordinacin puntual (PCF, Point Coordination Function) es un algoritmo MAC centralizado usado para ofrecer un servicio libre de contencin. La PCF se ubica justo por encima de la DCF y usa las caractersticas de esta para asegurar el acceso a sus usuarios.

Figura 23. Arquitectura de protocolos IEEE 802.11


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1.2.1. Funcin de coordinacin distribuida (DCF)

Los servicios de contienda implican que cualquier estacin con una MSDU en cola para transmitir debe contender para acceder al canal, y una vez que la MSDU es transmitida debe volver a contender en todas las tramas siguientes de la misma fuente. La subcapa DCF est basada en un algoritmo de acceso mltiple con deteccin de portadora y evitacin de colisin CSMA/CA (Carrier Sense Mutiple Acces with Collision Avoidance). El CSMA/CD (con deteccin de colisin) no tiene sentido porque una estacin no puede escuchar el canal para descubrir colisiones mientras est transmitiendo. Una MPDU es una unidad de datos completa que le pasa la subcapa MAC a la capa fsica. En el campo duracin de la cabecera de la MPDU se indica la cantidad de tiempo (en microsegundos) despus del final de la presente trama que se necesita para la transmisin exitosa de la trama de gestin o de datos. Las estaciones en la BSS emplean este campo de duracin para actualizar su NAV (Network Allocation Vector) que les indica el tiempo que deben esperar hasta que la transmisin actual termina y se puede volver a mirar el estado del canal a la espera de que est vaco. El acceso al medio inalmbrico se controla mediante el uso de unos retardos denominados espacio entre tramas (IFS, Interframe Space). Para permitir un acceso basado en prioridades se utiliza un mecanismo simple basado en el uso de tres valores para el IFS:

SIFS (IFS corto, short IFS): es el IFS ms pequeo y se utiliza para todas las acciones de respuesta inmediatas.

PIFS (Point Coordination Function IFS): se trata de un IFS de tamao medio, utilizado por el controlador central en el esquema PCF cuando emite un sondeo.

DIFS (Distributed Coordination Function IFS): constituye el IFS ms grande y se usa como un retardo mnimo para las tramas asncronas que compiten por el acceso al medio.

Las estaciones que solo tienen que esperar un SIFS tienen prioridad de acceso frente a las que tienen que esperar un PIFS o DIFS antes de transmitir. Para el mtodo de acceso bsico cuando una estacin nota que el canal est libre espera un tiempo DIFS y comprueba el canal de nuevo. Si el canal sigue libre transmite la MPDU. La estacin receptora comprueba que el paquete es correcto. En caso de recibir un paquete correcto espera un tiempo SIFS y transmite una trama de asentimiento positivo (ACK) de vuelta a la estacin fuente. Cuando la trama de datos se transmite, el campo de duracin permite saber a todas las estaciones en la BSS cuanto tiempo va a estar ocupado el medio. Todas las estaciones escuchando la trama de datos ajustan su NAV de acuerdo al campo de duracin, el cual incluye el intervalo SIFS y el ACK que sigue a la trama de datos.


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Figura 24. Transmisin de una MPDU sin RTS/CTS Debido a que una estacin fuente no puede or su propia transmisin, cuando

ocurre una colisin la fuente contina emitiendo la MPDU completa. Este fenmeno provoca que se desperdicie mucho ancho de banda por culpa de una MPDU corrupta. Las tramas de control RTS (Request to send) y CTS (Clear to send) se emplean para reservar ancho de banda del canal antes de efectuar una transmisin y para minimizar la cantidad de ancho de banda gastado cuando ocurre una colisin. RTS y CTS son relativamente pequeas, RTS 20 octetos y CTS 14 octetos.

La estacin fuente primero transmite la trama de control RTS (despus de la

debida contienda por el canal) con una trama de datos o de gestin en cola para ser transmitida a su correspondiente destino. Todas las estaciones escuchando en la BSS leen el campo duracin y adaptan su NAV. La estacin destino contesta con un paquete CTS despus de esperar un tiempo SIFS. Se vuelve a proceder a la actualizacin del NAV de las estaciones que estn escuchando. Una vez despus de la recepcin con xito del CTS la estacin fuente ya sabe que el canal est virtualmente reservado para que transmita la MPDU. Las estaciones pueden decidir no usar nunca el RTS/CTS cuando las MSDU superan el lmite dado por RTS_Threshold, o siempre usar RTS/CTS. En caso de colisin durante la transmisin de un RTS/CTS vemos como se desperdicia mucho menos ancho de banda que con el envo de una trama grande de MPDU. No obstante, en un medio poco cargado el retardo se incrementa debido a la sobrecarga de las tramas RTS/CTS.


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Figura 25.Transmisin de una MPDU usando RTS/CTS En ocasiones para mejorar la fiabilidad es interesante fragmentar una MPDU en

varios trozos si se supera un valor dado por el parmetro Fragmentation_ Threshold. Cuando una MSDU se fragmenta, todos los fragmentos se transmiten en secuencia. El canal no se libera hasta que la MSDU completa se ha transmitido correctamente o la estacin fuente no recibe un ACK correctamente. La estacin fuente mantiene el control del canal durante toda la transmisin de la MSDU, esperando nicamente un periodo de un SIFS entre la recepcin de un ACK y la transmisin del siguiente fragmento.

Para asegurar que el proceso de espera mantenga la estabilidad, se utiliza una

espera exponencial binaria. Los intentos repetidos y fallidos se traducen en periodos de espera cada vez mayores, hecho ste que ayuda a reducir la carga. En el caso de que este mecanismo no existiera se podra dar la siguiente situacin: dos o ms estaciones intentan transmitir al mismo tiempo, ocasionando una colisin. Ambas intentan retransmitir inmediatamente, causando una nueva colisin.

1.2.2. Funcin de coordinacin puntual (PCF) PCF es un mtodo de acceso alternativo implementado sobre DCF, cuya funcin consiste en un sondeo realizado por un elemento central de sondeos (coordinador puntual, Point Coordinator). El PC permite a las estaciones sondeadas transmitir sin la necesidad de contienda por el canal. La funcin del PC est realizada por el AP dentro de cada BSS. Las estaciones que pueden funcionar en el periodo libre de contencin (CFP, Contention Free Period) reciben el nombre de CF-aware stations.

El intervalo de repeticin de CFP (CFP_rate) se usa para determinar con que frecuencia ocurre el PCF. Dentro de un intervalo de repeticin una parte el tiempo es asignada a trfico libre de contienda y el resto es asignado a trfico por contienda. El intervalo de repeticin CFP se inicia con una trama beacon transmitida por el AP. Su funcin es la sincronizacin y la temporizacin. Una vez que la CFP_rate se establece se procede a decidir la duracin del CFP. La mxima duracin del CFP est determinada por un parmetro llamado CFP_Max_Duration. El valor mnimo de CFP_Max_Duration es el tiempo para transmitir dos MPDUs de tamao mximo,


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incluyendo sobrecarga, la trama beacon inicial y una trama CF-End. El valor mximo de la CFP_Max_Duration es el intervalo de repeticin CFP menos el tiempo para transmitir correctamente una MPDU de tamao mximo durante el CP. Durante el CFP solo pueden transmitir estaciones en respuesta a un sondeo del PC o para transmitir un ACK un tiempo SIFS despus de la recepcin de una MPDU. Al comienzo del intervalo CFP, el PC sondea el medio. Si aparece vaco durante un periodo PIFS, el PC transmite una trama beacon para iniciar el CFP. El PC empieza la transmisin CF un periodo SIFS despus de la transmisin de la trama beacon enviando una CF-poll (no datos), Data o CF-poll+ Data trama. El PC puede terminar inmediatamente el CFP enviando una trama CF-End. La habilidad para combinar tramas de sondeo con asentimientos y tramas de datos provoca un aumento de la eficiencia. Si el PC falla al recibir un ACK de una trama transmitida, el PC espera un intervalo de PIFS y continua emitiendo por la siguiente estacin en la lista de sondeo.

Figura 26. Coexistencia del PCF y DCF

Figura 27. Detalle del periodo libre de contienda


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2. QoS en 802.11

Actualmente poseemos un gran ancho de banda en las LAN inalmbricas que supera las velocidades de transmisin de hasta 54 Mbps. Sin embargo, esto no es suficiente para soportar servicios multimedia como pueden ser la voz o el video. Estos servicios requieren imponer severas restricciones en cuanto a parmetros como el retraso, el jitter o la prdida de paquetes. En otras palabras las comunicaciones multimedia requieren un soporte de calidad de servicio (QoS, Quality of Service). Primero realizaremos un anlisis de las limitaciones en QoS de las tecnologas DCF y PCF de acceso inalmbrico IEEE 802.11. 2.1. Limitaciones de DCF DCF ha sido diseado para proveer igual probabilidad de acceso al medio a todas las estaciones contendiendo para acceder a l de una manera distribuida. La anterior tecnologa DCF no tiene medios para distinguir distintas prioridades en las tramas de usuarios. DCF no contiene los mecanismos para garantizar ancho de banda, retraso de paquetes, lmites de retraso o jitter para flujos multimedia de gran prioridad. DCF ha sido diseado bsicamente para proveer un servicio del tipo best-effort. 2.2. Limitaciones de PCF Aunque PCF ha sido diseado para soportar trfico con limitaciones temporales hay varios puntos que la hacen muy pobre en cuanto a QoS. Hay cuatro hechos fundamentales que justifican esta deficiencia.

En PCF alternamos una parte del tiempo en modo CFP (Contention Free Period) y otra en modo CP (Contention Period) formando lo que conocemos como SF (Super Frame). La duracin en el tiempo de la SF es un parmetro del sistema que necesita ser optimizado, ya que tiene un impacto directo en el retardo observado en las aplicaciones.

El segundo hecho es que el uso de un adecuado mecanismo de sondeo para

conceder el acceso al medio es un elemento clave hacia la eleccin de una asignacin de recursos eficaz. Las especificaciones sugieren un algoritmo de sondeo basado en el mtodo round-robin. Debido a que existen diferentes tipos de trfico con diferentes calidades de servicio un simple mecanismo round-robin no es suficiente para soportar los distintos requisitos de QoS.

Tercero, la transmisin durante el intervalo CP tiene un impacto directo sobre

cuando empieza el CFP, y en consecuencia, en el retraso en el sondeo de las estaciones durante el CFP. Esto afecta de forma severa a la QoS e introduce retrasos impredecibles en cada CFP.

Cuarto, la alternancia entre CFP y CP puede introducir gran cantidad de

sobrecarga si el tamao de la supertrama se vuelve pequeo. Pero en cambio, para mantener un lmite pequeo de retraso usando PCF la supertrama debe ser pequea. Tenemos pues dos limitaciones contradictorias.


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2.3. El estndar IEEE 802.11e Este estndar pretende dar los mecanismos de soporte para aplicaciones sensibles al retardo y que requieren QoS como voz y video. En IEEE 802.11e se hacen distinciones entre estaciones que no requieren soporte de QoS, conocidas como nQSTA y aquellas que lo requieren QSTA. Para dar soporte a ambas se introduce una tercera funcin de coordinacin conocida como Hybrid Coordination Function (HCF). El uso de esta nueva funcin de coordinacin es obligatorio para las QSTAs. HCF incorpora dos nuevos mecanismos de acceso: el mecanismo basado en contienda Enhanced Distributed Channel Acces (EDCA) y el HCF Controlled Channel Acces (HCCA). Una de las principales caractersticas de HCF es la definicin de cuatro categoras de acceso (Access Categories, AC) a colas y ocho colas de flujo de trfico (Traffic Stream, TS) en la capa MAC. Cuando una trama llega a la capa MAC, es etiquetada con un Identificador de Prioridad de Trfico (Traffic Priority Identifier, TID) de acuerdo a sus requisitos de calidad de servicio, el cual puede tomar valores de 0 a 15. Las tramas con valores de TID del 0 al 7 son mapeadas usando cuatro colas AC usando las reglas de acceso EDCA. Por otro lado, las tramas con valores de TID del 8 al 15 son mapeadas en las ocho colas TS usando las reglas de acceso de HCF controlled. Las colas TS tienen un control parametrizado estricto de la QoS mientras las colas AC permiten el aprovisionamiento de mltiples prioridades. Otra caracterstica principal del HFC es el concepto de oportunidad de transmisin (Transmisin Oportunity, TXOP), el cual define la toma de tiempo de transmisin dedicado a cada estacin. Enhanced Distributed Channel Access (EDCA)

EDCA ha sido diseado para usar el sistema basado en contienda priorizando las distintas QoS de los mecanismos soportados. En EDCA, hay dos mtodos para soportar la diferenciacin de servicios. Uno de ellos est basado en usar diferentes IFS para distintos ACs. El segundo mtodo consiste en asignar distintos tamaos de ventana de contencin CW a cada uno de los diferentes ACs. Cada AC forma una entidad EDCA independiente con su propia cola y su propio mecanismo de acceso basado en DCF con su propio Arbitration Interframe Space (AIFS [AC]=SIFS + AIFSN [AC] * SlotTime) con su propia CW [AC] ( [AC]CWmax [AC]CW [AC]CWmin ). Si se presenta una colisin entre las colas dentro del mismo QSTA, el que tiene la prioridad ms alta es el que obtiene el derecho de transmisin. Esto significa que la cola que gana el derecho para transmitir obtiene una oportunidad de transmisin. Cada TXOP tiene un lmite de duracin (TXOPLimit) durante el cual el AC puede transmitir. HCF Controlled Channel Access (HCCA)

HCCA es una extensin del PCF de 802.11, alterna un periodo libre de contienda CFP con un periodo de contienda. El papel del PC ahora lo realiza una entidad llamada Hybrid Coordinator (HC). En el CFP el HC sondea las estaciones privilegiadas. Una estacin responde a un sondeo en una cantidad SIFS de tiempo, si falla el HC toma el control del canal de nuevo. Ahora el HC sondea la siguiente estacin o enva un CFEnd si no hay ms estaciones para ser sondeadas. El CP est ahora dividido en dos partes el CP convencional, donde todos los nodos compiten por el canal usando la tcnica aleatoria de backoff y el Controlled Access Period (CPA), donde el HC da el acceso al flujo que necesita garantas de QoS. Despus el HC deja el canal


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para los accesos basados en contencin hasta que necesita garantizar acceso explcito para un flujo particular para transmitir datos. 3. 802.11n La norma 802.11n permite una mejora en las prestaciones recibidas por las aplicaciones respecto al resto de las normas vistas en este documento. Los dos motivos principales son el uso mltiples antenas (MIMO) as como la incorporacin de las tcnicas de QoS de la norma 802.11e. En la actualidad se ha aprobado el borrador 2.0 de la norma lo que garantiza que el diseo de hardware se mantendr sin cambios en la norma final. Ello ha permitido que diversos fabricantes como D-Link, Cisco o Apple lleven a algunos meses vendiendo productos 802.11n en el mercado. Pensamos que esta tecnologa es de sumo inters para el proyecto por aportar las siguiente ventajas: 3.1. Mltiples entradas/mltiples salidas (MIMO)

Las interfaces 802.11 suelen tener una sola antena, en caso de tener ms de una en una configuracin de diversidad se seleccionaba la antena que ofreca mejor calidad de seal. Es decir, solo existe una cadena para procesar la seal, o cadena RF. La tecnologa MIMO se basa en que existen mltiples antenas cada una de las cuales tiene su propia cadena de radiofrecuencia, cada una de las cadenas puede recibir o transmitir de forma simultanea mejorando de forma extraordinaria el rendimiento. El procesamiento de recepcin simultnea tiene ventajas para resolver la interferencia de mltiples rutas y puede mejorar la calidad de la seal recibida ms all de la simple diversidad. Cada cadena de radiofrecuencia y su antena es la responsable de transmitir un flujo espacial. Una sola trama se puede descomponer y multiplexar a travs de mltiples flujos espaciales, que se vuelven a montar en el receptor. Las configuraciones MIMO se suelen describir con la abreviatura YxZ, siendo Y y Z enteros utilizados para hacer referencia al nmero de antenas del transmisor y al nmero de antenas del receptor. 3.2. Mejoras de eficiencia MAC de TGnSync Actualmente hay dos grupos desarrollando la norma 802.11n que se encuentra en fase de borrador, estos dos grupos son TGnSync y WWiSE. El objetivo inicial del grupo N era conseguir un rendimiento neto de ms de 100Mbps despus de restar toda la sobrecarga, el espacio entre tramas y los acuses de recibo. En el propsito final se superar con creces ese nmero. Existen dos vas para alcanzar dichas velocidades: mejorar la eficiencia de MAC o incrementar la velocidad de datos mxima. En el momento actual la propuesta de TGnSync es la que tiene ms apoyo y probablemente ser la base para la especificacin 802.11n aunque es posible que incorpore alguna caracterstica de WWiSE.

La eficiencia de MAC 802.11 es normalmente baja, es muy difcil exceder entre el 50 y el 60 por ciento de la velocidad de bits nominal de la capacidad subyacente. Cada trama a transmitir requiere un encabezado de trama de capa fsica as como la sobrecarga pura de la transmisin del prembulo. MAC 802.11 aade ms sobrecarga al requerir que cada trama tenga acuse de recibo. En TGnSync la eficiencia en la capa


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MAC se mejora a travs del desarrollo de una suma de tramas y de las rfagas as como cambios para las directivas de acuse de recibo. 3.2.1. Canales, modos de radio y coexistencia En algunas legislaciones no est permitido, pero las propuestas TGnSync admiten hasta una anchura de canal de 40MHz. Cuando las estaciones tienen grandes cantidades de datos para transmitir, se puede negociar un uso temporal de un canal ms ancho antes de volver al funcionamiento de los 20MHz. Hay dos tipos de redes en funcin de la coexistencia con tecnologas anteriores, las redes de modo puro estn compuestas solo de estaciones de 802.11n. No obstante, la mayor parte del funcionamiento de las redes se llevar a cabo en modo mixto, es decir, en coexistencia con redes heredadas en el mismo canal y se pueden aceptar asociaciones de estaciones ms antiguas como 802.11b/g. Las redes de modo puro siguen ignorando las peticiones de asociacin de estaciones ms antiguas y enviando tramas Beacon con un elemento de informacin que dirige las estaciones asociadas para utilizar slo los nuevos modos de transmisin 802.11n. Los puntos de acceso en modo mixto son visibles para los dispositivos heredados porque transmiten las Beacon utilizando el formato heredado. Los puntos de acceso en redes mixtas administradas dividen activamente el tiempo entre las transmisiones de alto rendimiento y las transmisiones heredadas. De una forma muy parecida a la divisin entre el periodo sin contencin y el periodo con contencin, un AP que est operando en modo mixto administrado permitir a las estaciones heredadas su divisin de tiempo a la vez que utilizan mecanismos similares para que el mecanismo de proteccin reserve algo de divisin de tiempo slo para estaciones MIMO. El nuevo borrador implementa el canal de 40MHz estableciendo el uso de dos bandas de 20MHz, en lugar de una con la capacidad total. El sistema escanear el entorno en busca de dispositivos heredados que pudieran no entender el mayor ancho de banda. Si los encontrara, comenzara a comunicarse con ellos enviando datos slo sobre una de las dos bandas de 20MHz. Aunque en tal caso el rendimiento global quedar reducido al soportado por un nico canal, la tecnologa MIMO recogida por el estndar remediar en cierta medida la prdida de velocidad. 3.2.2. Suma y rfagas Las estaciones 802.11 normalmente envan tramas en el orden en el que se reciben. Por motivos de rendimiento, es muy deseable reordenar las tramas de forma que puedan combinarse en tramas de suma ms grandes. La suma es una funcin de capa MAC que empaqueta diversas tramas MAC en una sola trama PLCP para la transmisin. Se colocan diversas tramas en la misma trama PLCP, con un delimitador apropiado entre ellas. El delimitador tiene un pequeo campo reservado, un campo de longitud para la siguiente trama MAC, un CRC para proteger el delimitador y un nico patrn para ayudar a recuperar tramas individuales de la trama de suma. Las tramas MAC se colocan en la trama de suma sin modificacin y contiene todo el encabezado y CRC MAC. Incluso aunque se pierda una trama de la suma se puede recibir con xito el resto de las tramas.


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El intercambio de las tramas sumadas slo es posible cuando el canal se ha configurado para ello. El remitente de una trama de suma, denominada iniciadora, tiene que enviar una trama de Control de suma de iniciadora (IAC, Initiator Aggregation Control). Las tramas IAC funcionan de una forma muy parecida a las tramas RTS. Cuando se recibe la IAC, el sistema de destino, denominado sistema contestador, genera una trama de control de suma de contestador (RAC). Las tramas RAC funciona de forma parecida a las tramas CTS. Cuando se reciben tramas sumadas, se requiere un acuse de recibo, por ello se define un nuevo tipo de acuse de recibo, el ACK de bloque (BlockACK), que se puede utilizar para acusar recibo de todas las tramas MAC contenidas en una trama de suma.

Para mejorar la eficiencia MAC se define un algoritmo de compresin del

encabezado MAC para su uso junto con las tramas agregadas. Las tramas entre dos destinos comparten la mayora de los campos en el encabezado MAC, ms notablemente las direcciones MAC dentro del paquete. Por consiguiente se asigna un ID del encabezado (HID, Header ID) de un byte a un conjunto nico de tres direcciones MAC dentro de una trama MAC. El ID del encabezado tambin puede contener el campo Duracin de la trama de suma, as como los dos bytes para el control QoS. Con este sistema conseguimos recortar considerablemente la sobrecarga debida a las tramas MAC. 3.3. Ahorro de potencia TGnSync define el protocolo de Intercambio del modo de recepcin cronometrado (TRMS, Timed Receive Mode Switching) para conservar energa y ampliar la duracin de la pila. En los sistemas MIMO se puede ahorrar potencia significativamente cerrando las cadenas de RF sin utilizar, pero conservando una sola cadena activa para supervisar el enlace radio Los dos estados del sistema se denominan MIMO habilitado para una capacidad de recepcin completa y MIMO deshabilitado cuando se cierran todas las cadenas de RF excepto una. 3.4. Estructura de un canal y velocidades bsicas MIMO Si consideramos los dos anchos de canal existente en la 802.11n y canales sin solapamiento tendremos el siguiente esquema de funcionamiento: Nmero mximo de canales sin solapamiento1

5 GHz 802.11a: 20 MHz: 21 802.11n: 20 MHz: 21 40 MHz: 9

2.4 GHz 802.11b/g: 20 MHz: 3 802.11n: 20 MHz: 3 40 MHz: 1

1. Datos tomados del producto Cisco Aironet 1250 Series Access Point (Cisco form parte desde el inicio del consorcio TGnSync)


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Podemos observar como el esquema de funcionamiento en el modo de ancho

deecanal de 20 MHz posee el mismo nmero de canales que las tecnologas predecesoras ms empleadas en nuestro pas, esto nos puede resultar til a la hora de la planificacin en frecuencias de un escenario que tuvisemos en funcionamiento con la tecnologa heredera. En el modo de ancho de banda de 40MHz observamos como podemos emplear hasta un mximo de 21 canales sin solapar, esto nos puede resultar til a la hora de planificar entornos que requieran una gran reutilizacin de las frecuencias con el uso de microceldas.

Las velocidades de datos en el canal fsico dependen de varios factores, estos son:

Factor de ancho de banda del canal: los canales de 20MHz son el punto de referencia y se asignan a un factor de ancho de banda de canal 1. Los canales de 40MHz transportan ms del doble de datos y se asignan a un factor de ancho de banda de 2,25.

Cantidad de flujos espaciales: la cantidad de flujos espaciales puede ser igual a

1, 2, 3 4. Tiene que ser menor o igual que la cantidad de antenas de transmisin. Es obligatorio admitir al menos dos flujos espaciales.

Bits codificados por subportadora: pueden ser 6 para 64 QAM, 4 para 16

QAM, 2 para QPSK 1 para BPSK. Tasa de cdigo: puede ser 1/2 cuando se utiliza con BPSK, 1/2 3/4 cuando se

utiliza con QPSK 16 QAM o 2/3, 3/4 7/8 cuando se utiliza con 64 QAM.

Factor de intervalo de proteccin: el intervalo de proteccin bsico es de

800ns y se le asigna factor 1. Los intervalos de proteccin de 400ns incrementan ligeramente el rendimiento y se les asigna un factor de 1,11.

Podemos aplicar la siguiente frmula para calcular las velocidades de datos:

Velocidad de datos (Mbps) = 12 x factor de ancho de banda del canal x nmero de flujos espaciales x bits codificados por la subportadora x tasa de cdigo x factor de intervalo de proteccin.


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1. Datos tomados del producto Cisco Aironet 1250 Series Access Point (Cisco form parte desde el inicio del consorcio TGnSync)

2. ndice MSC (Modulation and Coding Scheme): es un ndice que determina el nmero de flujos espaciales, la modulacin, la tasa de cdigo y el ancho del canal.

3. GI (Guard Interval): un perodo de guarda permite al receptor sobreponerse del efecto del retraso multitrayecto.

En la tabla podemos observar como se pueden conseguir a veces las mismas tasas de transmisin en el medio fsico jugando con los distintos parmetros del sistema arriba mencionados.


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3.5. Resumen de las ventajas de 802.11n

Velocidades de transmisin de datos en el medio fsico radio de hasta 300Mbps, mientras que las anteriores tecnologas 802.11a/g llegaban como mximo a 54Mbps. Esto supone un incremento de hasta 5 veces ms.

Velocidades de transmisin neta de datos de usuario (eliminado prembulos, cabeceras, acuses de recibo y toda la sobrecarga para las opciones de administracin del protocolo) de ms de 100Mbps, mientras que con las tecnologas herederas 802.11a/g se llegaba como mucho a unos 25Mbps de transmisin de datos de usuario. Esto supone de nuevo un incremento de cuatro o cinco veces ms.

Sistemas de antenas MIMO que permite la existencia de varias cadenas de radiofrecuencia transmitiendo flujos de datos a la vez aprovechando fenmenos fsicos como la propagacin multicamino para incrementar la tasa de transmisin y reducir la tasa de error. Adems los sistemas MIMO reducen las zonas muertas de cobertura gracias a la diversidad de antenas.

Coexistencia con las tecnologas herederas 802.11a/b/g con la posibilidad de emplear tcnicas administrativas que otorguen un tiempo exclusivo en cada periodo de funcionamiento a las estaciones de nueva generacin 802.11n.

Utilizacin ms eficiente del espectro radioelctrico, antes con 802.11g tenamos esta relacin 54Mbps/20MHz = 2.7bps/Hz, ahora podemos alcanzar 144Mbps/20MHz = 7.2bps/Hz.

Todos los dispositivos de la nueva tecnologa 802.11n soportan WMM (Wi-Fi Multimedia, tambin conocido por la especificacin 802.11e) permitiendo el soporte de importantes aplicaciones que requieren especificaciones de QoS como pueden ser la VoIP o el video en tiempo real. Los dispositivos de las tecnologas herederas no suelen soportar este servicio, y por supuesto no estn en las mismas condiciones de velocidad para que sean tan ptimas como con las 802.11n.

Compromiso por parte de los fabricantes de actualizar por software sus equipos una vez que salga el estndar 802.11n definitivo, ya que actualmente este se encuentra en fase de borrador, en su versin 2.0. La aprobacin del borrador 2.0 garantiza que ya no se requerirn ms cambios en hardware para la aprobacin del estndar final


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4. Bibliografa [1] IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks. Brian P. Crow, The MITRE Corporation, Indra Widjaja, Fujitsu Network Commmications, Jeong Geun Kim, University of Arizona, Prescott T. Sakai, Cypress Semiconductor. IEEE Communications Magazine , September 1997

[2] Limitations and Capabilities of QoS Support in IEEE 802.11 WLANS. Jos Villaln, Pedro Cuenca and Luis Orozco-Barbosa [3] Redes Wireless 802.11. Matthew S. Gast. O Reilly. Anaya Multimedia [4] Supporting Real-Time Applications with Better QoS Guarantees in 802.11. Kiran Diwakar and Sridhar Iyer. School of Information Technology IIT Bombay

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ANEXO B Estado Del Arte 802 11