UNIVERSIDAD DE LA REPUBLICAFacultad de Ingeniera

IEEE 802.11 - Capa Fsica

Monografa del CursoComunicaciones inalambricas

2013

Fernanda Rodrguez

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Resumen

El estandar IEEE 802.11 detalla las especificaciones de la capa de control deacceso (MAC) y la capa fsica para la comunicacion en una red LAN inalambrica.Dentro de la capa MAC se especifican una serie de reglas para determinar la formaen que los dispositivos obtienen acceso al medio y envan datos, mientras que losdetalles de transmision y recepcion corresponden a la capa fsica.

En este trabajo se describen los principales componentes de la capa fsica paralas versiones de 802.11 a y b y se comentan las tecnicas utilizadas para g y n.

1. Introduccion

El estandar 802.11 publicado en 2007 especifica tres tecnicas de transmisionpara la capa fsica, dos de ellas operan en la banda de frecuencia de 2,4 GHz.Una de estas utiliza la tecnica de salto en frecuencia (FHSS, Frequency-HoppingSpread-Spectrum) y la otra el esparcimiento en secuencia directa (DSSS, Direct-Sequence Spread-Spectrum). La tercera se basa en radiacion infrarroja difusa (IR).Las tres tecnicas proveen tasas de 1 y 2 Mbps en base a los siguientes esquemasde modulacion:

FHSS: Este metodo utiliza 79 canales de 1 MHz de ancho cada uno. El trans-misor y el receptor van cambiando de canal siguiendo una secuencia determinadapor un generador de numeros pseudoaleatorios, (obsoleto).

DSSS: Esta tecnica ensancha el espectro de la senal enviada al multiplicar cadabits por una secuencia de largo 11 chips con velocidad de 11 Mchip/s (Mcps). Paralograr las tasas de 1 y 2 Mpbs se modula la nueva secuencia generads con DBPSKy DQPSK.

IR: Utiliza la modulacion de posicionamiento de pulso (PPM, Pulse PositionModulation) en la banda de 0,85 a 0,95 m (obsoleto).

En base a la necesidad de contar con velocidades mayores, se crearon las sigu-ientes versiones que modifican la capa fsica para lograr mayores velocidades:

802.11a: trabaja en la banda de 5,8 GHz y soporta hasta 54 Mbps utilizandola tecnica Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM).

802.11b: opera en la banda de 2,4 GHz con tasa de hasta 11 Mbps empleandoHigh-Rate Direct Sequence (HR/DSSS).

802.11g: combina los dos metodos anteriores, trabajando en la banda 2,4 GHzy utilizando OFDM para dar una tasa de hasta 54 Mbps.

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Cuadro 1: Tabla de codificacion DBPSK de 1 Mbps.

Bits de entrada Fase0 01 pi

Antes de describir las variantes anteriormente mencionadas. Se definen cuestionesgenerales a todas ellas. La capa fsica se divide en dos subcapas, la Physical LayerConvergence Procedure (PLCP) y la Physical Medium Dependent (PMD). Laprimera se encarga de tomar la trama de la capa MAC, que se llama PhysicalService Data Unit (PSDU) y transformarla en la Physical Layer Protocol DataUnit (PPDU) mediante la incorporacion de un preambulo, encabezado, etc. Lasegunda, define las caractersticas y metodos que se emplean para la transmisiony recepcion de la PPDU.

2. 802.11b

Esta version utiliza el metodo DSSS descripto en la version original de 802.11para proporcionar velocidades de 1 y 2 Mbps y emplea el metodo de modulacion8-chip Complementary Code Keying (CCK) para ofrecer tasas de 5,5 y 11 Mbps.

Antes de definir la modulacion, se describe el proceso que realiza la subcapaPLCP de transformar una unidad de servicio a una unidad de datos de capafsica (PSDU a PPDU). En la Figura 1 se muestra el preambulo y el encabezadoagregado a la PSDU.

El campo SYNC se utiliza para realizar la sincronizacion entre el transmisor yel receptor y se forma mezclando (como se muestra en la Figura 2) los bits en 1. Elcampo SFD sirve para determinar el final del preambulo. Dentro del encabezadose encuentra el campo SIGNAL que indica la tasa del PSDU (1, 2, 5,5 u 11 Mbps);el campo SERVICE que lleva informacion de la modulacion; LENGTH que indicala duracion en microsegundos que lleva transmitir la PSDU y el campo CRCque actua sobre los demas campos del encabezado para detectar errores, con elgenerador G(x) = x16 + x12 + x5 + 1. Todos los bits de la trama son pasados porel mezclador generado por el polinomio G(z) = z7 + z4 + 1, como se ve en laFigura 2.

Para ofrecer la velocidad de 1 y 2 Mbps se utiliza DSSS con la secuencia de 11chips de Barker (1,-1,1,1,-1,1,1,1,-1,-1,-1) a tasa 11 Mcps y modulacion DBPSK(Tabla 1) y DQPSK (Tabla 2) respectivamente.

Para brindar tasas mayores en el mismo ancho de banda, se utiliza la tecnica8-chip Complementary Code Keying a tasa de 11 Mcps. Este metodo difiere del

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Figura 1: Formato de trama PPDU.

Figura 2: 802.11b mezclador.

Cuadro 2: Tabla de codificacion DQPSK de 2 Mbps.

Bits de entrada Fase00 001 pi/211 pi10 pi/2

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Cuadro 3: Tabla de codificacion QPSK.

Bits de entrada Fase(di, di+1)

00 001 pi/211 pi10 pi/2

anterior en que la secuencia de chips no es fija y depende de los bits de informacion.La secuencia de 8 chips tiene la siguiente forma:

c = {ej(1+2+3+4), ej(1+3+4), ej(1+2+4),ej(1+4), ej(1+2+3), ej(1+3),ej(1+2), ej1}Donde las fases 1, 2, 3 y 4 dependen de 4 u 8 bits de informacion, obteniendotasas de 5,5 y 11 Mbps respectivamente. Observar que la la fase 1 esta en todoslos bits codificados, 2 en los impares, 3 en el primer y tercer par y 4 en losprimeros 4.

Para ambas velocidades los primeros dos bits (d0 y d1) determinan la fase 1en base a DQPSK, como se indica en la Tabla 2. Para la tasa de 5,5 Mbps,2 = d2 pi + pi/2, 3 = 0 y 4 = d3 pi. Para la tasa de 11 Mbps, las parejas debits (d2, d3), (d4, d5) y (d6, d7) codifican las fases 2, 3 y 4 respectivamente, enbase a QPSK, como se muestra en la Tabla 3.

El pulso conformador de la senal enviada al canal consiste en una funcion sincenmascarada en frecuencia como se observa en la Figura 3. Las especificaciones dela mascara son:

0 dB para fc 11MHz < f < fc + 11MHz-30 dB para fc22MHz < f < fc11MHz y fc+11MHz < f < fc+22MHz-50 dB para f < fc 22MHz y fc + 22MHz < f

En la Figura 4 se puede ver una posible utilizacion de la banda 2,4 GHz con 3canales no superpuestos.

3. 802.11a

Esta version proporciona tasas de 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 Mbps utilizandola tecnica de OFDM con 52 portadoras (48 de datos y 4 para pilotos) moduladasen BPSK, QPSK, 16QAM o 64QAM y tasa de codigo de 1/2, 2/3 o 3/4, para uncanal de 20 MHz en la banda de 5,8 GHz.

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Figura 3: Espectro.

Figura 4: Canales no solapados.

En lo que sigue se detalla como es el proceso de codificacion para una PPDU.La subcapa PLCP toma una PPDU y la convierte en una PSDU agregando unpreambulo, un encabezado, 6 bits de cola y bits de relleno, como se muestra en laFigura 5.

El preambulo esta compuesto por repeticiones de dos secuencias de entre-namiento conocidas y se utiliza para la sincronizacion entre el transmisor y elreceptor, el control de ganancia automatico (AGC) y la estimacion del canal.

El encabezado PLCP (menos el campo de servicio) se denomina SIGNAL yesta compuesto por los campos Rate, Reserved, Lenght, Parity y Tail. Este secodifica usando el esquema mas robusto de modulacion (BPSK y un codigo con-volucional de 1/2), los cuales estan mapeados dentro de un smbolo OFDM. Loscampos Rate y Lenght llevan informacion de la tasa y del largo del PSDU y parafacilitar su deteccion se insertan 6 bits de relleno (Tail) en el encabezado PLCP,ya que como se describira mas adelante se codifica con un codigo convolucional delargo 7. El campo Parity es un bit de paridad par del encabezado.

Con la tasa del PSDU se calcula el numero de bits de datos por smbolo OFDM(NDBPS), la tasa de codigo (R), el numero de bits en cada subportadora OFDM(NBPSC) y el numero de bits codificados por smbolo (NCBPS), (ver Tabla 4).

El campo SERVICE consta de los primeros 7 bits en cero y sirven para sin-

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Figura 5: Formato de trama PPDU.

Cuadro 4: Parametros dependiendo de la Tasa de Datos.

Tasa de Modulacion Tasa de Bits codificados Bits codificados Bits de datosDatos codificacion por subportadora por smbolo OFDM por smbolo OFDM[Mbps] (R) (NBPSC) (NCBPS) (NDBPS)

6 BPSK 1/2 1 48 249 BPSK 3/4 1 48 3612 QPSK 1/2 2 96 4818 QPSK 3/4 2 96 7224 16-QAM 1/2 4 192 9636 16-QAM 3/4 4 192 14448 64-QAM 2/3 6 288 19254 64-QAM 3/4 6 288 216

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Figura 6: Diagrama de bloque del transmisor y receptor de OFDM.

cronizar el desmezclador en el receptor. Los restantes 9 bits estan reservados parauso futuro. El campo TAIL en DATA consta de 6 bits en cero para volver el cod-ificador convolucional al estado cero. Finalemente el campo Pad Bits son bits derelleno para asegurar que el tamano del campo DATA sea un multiplo entero deNCBPS (48, 96, 192 o 288 bits).

El diagrama de bloque del sistema OFDM se muestra en la Figura 6 y sigue lasiguiente secuencia: se codifica, se divide cada bit codificado en grupos de NCBPS,los cuales son entrelazados de acuerdo a la tasa deseada. Estos se dividen en gruposde NBPSC . Cada grupo de bits en convertido a en un numero complejo de acuerdo ala modulacion determinada. Se divide cada string de numeros complejos en gruposde 48 numeros complejos y cada uno es asociado con un smbolo OFDM. Cadagrupo de subportadora es convertida al dominio del tiempo usando la transformadainversa de Fourier. Luego se le agrega al principio una extension circular (un prefijocclico) de la misma, formando el GI y se enventana la senal a la duracion de unsmbolo OFDM. Por ultimo se lleva a la frecuencia de canal deseado.

Antes de codificar la trama PPDU, se realiza el mezclado del campo DATA conel generador polinomial S(x) = x7 + x4 + 1, como se muestra en la Figura 7.

Para realizar la codificacion se utiliza un codigo convolucional de largo 7, con losgeneradores polinomiales conocidos como g0 = 1338 y g1 = 1718, logrando una tasade 1/2 como se muestra en la Figura 8 (la salida se obtiene concatenando los bitsde A y B). Para lograr tasas de codificacion mas altas a partir de esta codificacion,se realiza el metodo de perforado. Este consiste en omitir algunos de los bitscodificados en el transmisor e insertar dummy bits en el receptor en los lugares

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Figura 7: 802.11a mezclador.

Figura 8: Codificador convolucional.

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Figura 9: Codificador convolucional con perforado a tasa R = 3/4.

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Figura 10: Espectro de la senal enviada.

donde fueron omitidos. En la Figura 9 se ilustra la forma de lograr una tasa de3/4.

El entrelazado se realiza en dos etapas. La primera es mapear bits de codigoadyacentes a subportadoras no adyacentes. La segunda es mapear alternadamentelos bits en la parte mas y menos significativa de la constelacion. Si se llama k alndice de los bits antes de las permutaciones, i el ndice luego de la primer etapay j luego de la segunda etapa, justo antes del mapeo a la constelacion. Entoncesla relacion entre j y k esta definida por las siguientes ecuaciones:

i = (NCBPS/16)(kmod16) + E(k/16); k = 0, ..., NCBPS 1j = s E(i/s) + (i+NCBPS E(16 i/NCBPS))mods; i = 0, ..., NCBPS 1

Donde E(.) representa la parte entera y s = max(NCBPS/2, 1).En la Figura 10 se indica un ejemplo del espectro de la senal generada y la

mascara correspondiente. Los valores mostrados corresponden a dB relativo a lamaxima densidad espectral de la senal (dBr).

4. 802.11g

Esta variacion del estandar surgio para ofrecer mayores velocidades a la bandade 2,4 GHz, utilizando el metodo OFDMA. 802.11g no presenta cambios significa-

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tivos respecto a 802.11a, y su principal caracterstica es proveer compatibilidadcon 802.11b.

5. 802.11n

Nuevamente, con el fin de lograr mayores velocidades se creo una nueva version:802.11n que opera en las bandas de 2,4 y 5,8 GHz. Esta utiliza OFDMA conmodulacion BPSK, QPSK, 16QAM o 64 QAM y tasa de codificacion de 1/2, 2/3,3/4 o 5/6, pudiendo ofrecer hasta 600 Mbps. Esto se logra basicamente empleandomultiples entradas y/o multiples salidas (MIMO) hasta cuatro flujos y con laopcion de utilizar el doble de ancho de banda que las versiones anteriores (de 20 a40 MHz). Ademas, 802.11n realiza cambios en la capa MAC para incrementar lasvelocidades, como es el agrupamiento de tramas.

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