Iván Bernal, Ph.D.imbernal@mailfie.epn.edu.echttp://ie205.epn.edu.ec/ibernalhttp://ie205.epn.edu.ec/ibernal

Comunicaciones Inalámbricas

Quito – Ecuador

Generalidades de WLAN

Copyright @2005, I. Bernal

Escuela PolitEscuela Politéécnica Nacionalcnica NacionalQuito – Ecuador

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AgendaAgenda

• Introducción

• Aplicaciones de WLANs

• Requerimientos de WLANs

• Técnicas de transmisión utilizadas

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• W. Stallings, "Wireless Communications and Networks", 2nd Edition, Prentice Hall, 2005.

• W. Stallings, "Local and Metropolitan Area Networks", 5ta Edition, Prentice Hall, 1997.

Bibliografía.BibliografBibliografíía.a.

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IntroducciónIntroducciIntroduccióónn• Wireless Local Area Networks (WLANs)

• Local Area Wireless Networks (LAWNs)

• WLANs proveen “todas las características y beneficios” de las tecnologías LAN tradicionales, sin las limitaciones de los alambres o cables.

La libertad de desplazarse (roam) entre distintas áreas de cobertura y mantener conectividad ha ayudado a elevar a las redes inalámbricas a “nuevas alturas”.Afirmación sujeta a discusión.

• WLANs no requieren cambios de cableado (significativos), durante reconfiguraciones de las oficinas, con ahorro en los costos asociados.

• WLANs proveen la libertad y flexibilidad para operar dentro de edificios y entre edificios.

Las denominadas “áreas locales” ya no se miden en metros, sino en kilómetros.La infraestructura no necesita estar enterrada en el piso o escondida en las paredes.La infraestructura puede moverse y cambiarse basándose en las necesidades (también cambiantes) de una organización.

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IntroducciónIntroducciIntroduccióónn• La primera generación de dispositivos WLANs (introducidos a

fines de los 80s), no fueron muy populares debido a sus bajas velocidades, falta de estándares y preocupación por las licencias.

• Los sistemas modernos:Están estandarizados y son capaces de transferir datos a velocidades aceptables.

El comité IEEE 802.11 y la alianza Wi-Fi han trabajado arduamente para hacer que los equipos inalámbricos sean estandarizados e interoperables.

En la actualidad se soportan velocidades de transmisión e interoperabilidad necesarias para la operación como en una LAN tradicional.

El costo de los nuevos dispositivos inalámbricos ha disminuido significativamente.

WLANs son ahora una opción de costo asequible a las redes LAN alámbricas.

En la mayoría de países, estos dispositivos no requieren licencias especiales del gobierno.

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IntroducciónIntroducciIntroduccióónn• Las primeras tecnologías para WLAN definidas por el estándar 802.11 eran

alternativas propietarias de baja velocidad de 1 a 2 Mbps. A pesar de estas limitaciones, la libertad y flexibilidad inalámbrica, permitieron que estos primeros productos encuentren un lugar en los mercados tecnológicos.

Trabajadores móviles utilizan dispositivos pequeños de mano (hand-held devices) para manejo de inventarios y recolección de datos en almacenes y bodegas.

Mas tarde, los hospitales aplicaron la tecnología inalámbrica para recopilar y entregar información de los pacientes.

Cuando las computadoras hicieron su aparición en las aulas de clase, las escuelas y universidades empezaron a instalar redes inalámbricas para evitar costos de cableado, permitiendo el acceso compartido al Internet.

• Los vendedores, al darse cuenta de la necesidad de estándares, se reunieron en

1999 y formaron WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance). WECA propuso y construyó un estándar basado en tecnologías que los miembros contribuyeron.

Mas tarde, WECA cambió su nombre a Wi-Fi.

En Junio de 1997, la IEEE publicó el estándar 802.11 para WLAN.

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IntroducciónIntroducciIntroduccióónn• WLANs ofrecen numerosos beneficios para oficinas en el hogar

(home offices), pequeños negocios, negocios medianos, redes de campos universitarios, y grandes corporaciones.

• Los ambientes que se beneficiarían de una WLAN pueden presentar algunas de las siguientes características:

Requieren velocidades estándar de LANs Ethernet.

Tienen usuarios que se beneficiarían de poder ser nómadas (roaming users).

Reconfiguran a menudo la organización física de sus oficinas.

Se expanden rápidamente.

Enfrentan dificultades significativas para instalar LANs alámbricas.

Necesitan conexiones entre dos o mas LANs en un área metropolitana.

Requiere oficinas y LANs temporales.

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Wi-Fi (Wireless Fidelity)WiWi--FiFi ((WirelessWireless FidelityFidelity))• La alianza Wi-Fi (Wireless Fidelity) es una asociación de industrias global, sin

fines de lucro de mas de 200 compañías miembro, dedicada a promover el

crecimiento de las WLANs.

• Siendo uno de sus objetos mejorar la experiencia del usuario con los dispositivos

móviles inalámbricos, la alianza Wi-Fi mantiene un programa de pruebas y

certificaciones que garantizan la interoperabilidad de los productos WLAN

basados en la especificación IEEE 802.11. Desde el inicio del programa de certificación de la Alianza Wi-Fi en Marzo de 2000, mas de 2,000 productos han sido designados como “Wi-Fi CERTIFIED™”.

Al 2004 , productos de mas de 120 vendedores han sido certificados (802.11b).

La certificación se extendió a productos 802.11g y 57 vendedores han sido certificados.

Existe un programa de certificación para productos 802.11 llamado Wi-Fi5 y se han certificado 32 vendedores.

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Áreas de Aplicación de WLANsÁÁreas de Aplicacireas de Aplicacióón de WLANsn de WLANs• Extensión de LANs

• Interconexiones entre edificios

• Acceso Nomádico

• Redes ad-hoc

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Áreas de Aplicación de WLANsÁÁreas de Aplicacireas de Aplicacióón de WLANsn de WLANs• WLANs como extensión de LANs.

Los primeros productos se introdujeron como substitutos de las LAN alámbricas.Ahorros en los costos por cableado, facilita reubicación y cambios en la estructura de la red.

Las aparentes ventajas en esa época se opacaron cuando:Los nuevos edificios eran diseñados con extensas facilidades de cableado para datos.

Creciente confianza en cableado con twisted pair para LANs.

Muchos edificios tienen ya infraestructura de cableado (categoría 3 y 5 con UTP).

No se ha visto un desplazamiento de las LAN cableadas.

Existen ambientes y condiciones en los que WLANs tienen un rol claro y son una alternativa atractiva.

Edificios con grandes espacios abiertos

Plantas de fabricación

Pisos para negociación de acciones (Bolsas de valores, stock exchange)

Grandes bodegas

Edificios históricos con insuficiente cableado en donde taladrar nuevos agujeros es prohibido

Pequeñas oficinas en las que la instalación y mantenimiento de LANs alámbricas no es económicamente factible

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Áreas de Aplicación de WLANsÁÁreas de Aplicacireas de Aplicacióón de WLANsn de WLANs• WLANs como extensión de las LANs

No se tienen redes inalámbricas completamente inalámbricas Los dispositivos inalámbricos son solo parte de las LAN alámbricas tradicionales.

Las LANs se están convirtiéndose en una mezcla de sistemas alámbricos e inalámbricos, dependiendo de las necesidades de la red y limitaciones de diseño.

En grandes redes empresariales, los niveles de core y distribución continuarán siendo sistemas backbone cableados, típicamente conectados con fibra óptica y UTP.

El nivel mas cercano al usuario final, el nivel de acceso, será el mas afectado por la alternativa inalámbrica.

Una planta de fabricación típicamente posee un área de oficinas separada de la fábrica y que deben estar enlazadas.

Se tendría una WLAN enlazada a una LAN alámbrica.

Por eso se les denomina una extensión.

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Áreas de Aplicación de WLANsÁÁreas de Aplicacireas de Aplicacióón de WLANsn de WLANs

Internet

WPAN

WWAN

LAN de cableLAN de cable

WLAN

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Áreas de Aplicación de WLANsÁÁreas de Aplicacireas de Aplicacióón de WLANsn de WLANs• Interconexiones entre edificios

Una aplicación de la tecnología de WLANs es conectar LANs (alámbricas o inalámbricas) en edificios cercanos.

Se utiliza un enlace punto-punto entre los dos edificios.Los dispositivos que se conectan son puentes y ruteadores (bridges y routers).

No se habla de una LAN estrictamente, pero es común incluir esta aplicación bajo el encabezado de WLAN.

Las distancias que se manejan son (típicamente) de hasta 40 km (25 millas).

El uso de dispositivos WLAN son mas efectivos, en términos de costos, que usar WANs o instalar o rentar fibras ópticas.

El costo de instalación entre dos edificios con tecnología WLAN será de una sola vez, en el orden de algunos miles de dólares.

Un enlace dedicado T1/E1, que provee una fracción del ancho de banda de una WLAN, fácilmente puede costar cientos de dólares, o más, por mes.

Instalar fibra en distancias mayores a 1.6 km (1 milla) es difícil y costaría mucho mas que la solución inalámbrica.

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Áreas de Aplicación de WLANsÁÁreas de Aplicacireas de Aplicacióón de WLANsn de WLANs• Acceso Nomádico

Ejemplo:Un empleado que retorna de un viaje transfiere datos de su computador portátil al servidor de la oficina.

Útil en un ambiente grande como el de un campo universitario o un negocio que opera en un grupo de edificios.

Los usuarios de la red se mueven con sus computadoras y desean tener acceso a los servidores de una red LAN alámbrica desde varias ubicaciones.

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Áreas de Aplicación de WLANsÁÁreas de Aplicacireas de Aplicacióón de WLANsn de WLANs

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Áreas de Aplicación de WLANsÁÁreas de Aplicacireas de Aplicacióón de WLANsn de WLANs• Del gráfico:

Una WLAN es una extensión de una LAN.La WLAN forma una estructura estacionaria de una o varias celdas con un elemento de control cada una, denominado Access Point.

Dentro de cada celda, puede haber un número de sistemas finales estacionarios.

Acceso nomádicoEstaciones nomádicas pueden moverse de una celda a otra.

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Áreas de Aplicación de WLANsÁÁreas de Aplicacireas de Aplicacióón de WLANsn de WLANs• Interconexión Ad Hoc.

Es una red “peer to peer”No existe un servidor centralizado.

Comúnmente se configuran temporalmente para solucionar alguna necesidad inmediata.

Un grupo de empleados, cada uno con su laptop, puede asistir a una sala de conferencias para una reunión o una clase.

Los empleados enlazan sus computadoras en una red temporal, durante la duración de la reunión.

No existe la necesidad de infraestructura previa.

Los participantes están al alcance uno de otro.

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Requerimientos para WLANsRequerimientos para WLANsRequerimientos para WLANs• Debe satisfacer el mismo tipo de requerimientos típicos de una LAN (capacidad,

cubrir distancias cortas, conectividad total entre sus estaciones, facilidades de broadcast, etc ).

• Debe satisfacer requerimientos adicionales específicos al ambiente LAN inalámbrico. Así:

ThroughputNúmero de nodos

Conexión al backbone LAN

Área de Servicio

Consumo de la batería para los dispositivos móvilesTransmisión robusta y seguridad

Operación de redes ubicadas en el mismo lugar

Operación sin la necesidad de licencias

Handoff/roamingConfiguración Dinámica

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Requerimientos para WLANsRequerimientos para WLANsRequerimientos para WLANs• Throughput

El protocolo de control de acceso al medio debería hacer uso eficiente del medio inalámbrico para mejorar la capacidad efectiva de la red.

El overhead del protocolo para acceder al medio debe ser lo mas pequeño posible para que los datos del usuario sean transferidos lo mas antes posible.

• Número de nodosWLANs pueden requerir que se soporten cientos de nodos usando múltiples celdas.

• Conexión al backbone LANEn la mayoría de casos se necesita interconexión con estaciones en un backbone LAN alámbrico.

Se requiere de dispositivos que se conecten a ambas tipos de redes LAN.

También se deben acomodar usuarios móviles y redes ad hoc.

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Requerimientos para WLANsRequerimientos para WLANsRequerimientos para WLANs• Área de Servicio

Un área típica de cobertura para una WLAN tiene un diámetro de 100 a 300 m.

• Consumo de la batería para los dispositivos móvilesLos usuarios móviles utilizan estaciones con baterías que necesitan larga duración en sus baterías, cuando están usando sus tarjetas inalámbricas (adaptadores).

Las implementaciones WLAN ofrecen modos de operación para reducir el consumo de potencia cuando no se utiliza la red.

No es aceptable un protocolo MAC que requiere que los dispositivos móviles estén monitoreando constantemente los APs, o manteniendo handshakes frecuentes.

• Transmisión robusta y seguridadSin las medidas necesarias, una WLAN estará sujeta a interferencias y acceso no autorizado (eavesdropping).Se debe ofrecer transmisión confiable en ambientes ruidosos y se debe proveer niveles de seguridad frente a eavesdropping.

• Operación de redes ubicadas en el mismo lugarCon la creciente popularidad de las WLANs, es muy probable que dos o mas WLANs operen en la misma área, o áreas cercanas en las que es posible la interferencia entre ellas.

Sin un diseño adecuado, se puede alterar la operación normal del protocolo de la MAC, y además se permitirían accesos no autorizados a LANs privadas.

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Requerimientos para WLANsRequerimientos para WLANsRequerimientos para WLANs• Operación sin la necesidad de licencias

Los usuarios preferirán comprar y operar productos WLAN sin tener que obtener licencias para la banda de frecuencias en la que operará su LAN.

• Handoff/roamingEl protocolo MAC usado en WLANs deberían permitir que las estaciones móviles se desplacen de una celda a otra.

• Configuración DinámicaLos esquemas de direccionamiento MAC y de administración de la red WLAN, deberían permitir operaciones dinámicas y automáticas para añadir, borrar, y reubicar unidades de usuario sin la interrupción de los otros.

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Kiviat GraphsKiviatKiviat GraphsGraphs• Proveen un medio gráfico para comparar sistemas considerando múltiples variables.

• Las variables se ubican a intervalos angulares iguales.Se coloca un punto en cada variable.Los puntos se conectan entre sí para dar una imagen característica del sistema.

• La figura presenta un diagrama de Kiviat para comparar WLANs con LAN alámbricas y redes móviles de datos (redes celulares con soporte para transmisión de datos).

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Kiviat GraphKiviatKiviat GraphGraph• Proveen una poderosa visualización de varias métricas al mismo tiempo.

• Cada métrica es representada en un eje que emana de un punto central.

• Cada eje está escalado de tal manera que su límite superior esté normalizado (formando un círculo rojo a alguna distancia del centro).

Permite una rápida vista de los resultados para el elemento escogido, lo que inmediatamente permite identificar aquellas valores que caen fuera de los límites respectivos.

• Existen herramientas que permiten su generación automática.Para mejorar la visualización y análisis de los Kiviat graphs, se recomienda que se configuren y agrupen las posiciones de las métricas de acuerdo a categorías. Para permitir visualizar tendencias, se puede ofrecer animaciones para indicar desplazamientos en los valores en un periodo especificado.

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Kiviat GraphKiviatKiviat GraphGraph

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Técnicas de transmisión en WLANTTéécnicas de transmisicnicas de transmisióón en WLANn en WLAN• Infrared (IR) LANs

Una celda usando IR está limitada a una sola habitación dado que la luz IR no penetra las paredes.

• MicroondasSpread spectrum LANs

En la mayoría de casos operan en la banda ISM (Industrial, Scientific, and Medical) de tal manera que no se requieren licencias (de la FCC en USA).

Microondas de Banda angosta (Narrowband microwave)Operan a frecuencias de microonda pero no usan spread spectrum.

Algunas operan a frecuencias que requieren licenciamiento, mientras que otras usan las bandas ISM.

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Técnicas de transmisión en WLANTTéécnicas de transmisicnicas de transmisióón en WLANn en WLAN

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Infrared (IR) LANsInfrared (IR) LANsInfrared (IR) LANs• Comunicaciones ópticas inalámbricas en la región de infrarrojo es común en los

hogares, en controles remotos de dispositivos

• Ventajas respecto a las microondasSe dispone de una amplia región del espectro lo que permitirá tener altas velocidades de transmisión.

Esta región del espectro no está bajo regulación.

Posee algunas propiedades de la luz visible, la luz IR es reflejada de forma difusa por objetos de colores claros, lo que permite utilizar los techos como superficies reflectoras/difusoras y cubrir toda una habitación.

La luz IR no atraviesa paredes y no es reflejada por objetos opacosSe puede ofrecer seguridad con mayor facilidad.

Se pueden utilizar IR en las diferentes oficinas de los edificios sin tener que preocuparse por interferencias.

El equipo es relativamente barato y simple.Se puede usar modulación de intensidad, por lo que los receptores solo necesitan detectar la amplitud de las señales ópticas, antes que frecuencia o fase, como los sistemas de microonda.

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Infrared (IR) LANsInfrared (IR) LANsInfrared (IR) LANs• Desventajas respecto a las microondas

Muchos ambientes internos experimentan intensas radiaciones infrarrojas desapercibidas, generadas por la luz del sol y del alumbrado.

Estas radiaciones son ruido para un receptor infrarrojo.

Se requiere transmitir con mayor potencia y se limita el rango de cobertura.

Por otro lado, la potencia a usarse es limitada por seguridad del ojo y el consumo excesivo de potencia, obviamente.

• Técnicas de transmisiónIR de haz directivo (Directed Beam Infrared), como en un control remoto de TV.

Ominidireccional

Difusa (Diffused)

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Infrared (IR) LANsInfrared (IR) LANsInfrared (IR) LANs• IR de haz directivo

Se usa para crear enlaces punto a punto.

El rango depende de la potencia emitida y del grado de direccionamiento.Se pueden alcanzar distancias en el orden de kilómetros.

No son distancias que se usen para LANs interiores (indoor).

Puede utilizarse para interconectar edificios que tienen línea de vista.

• IR OmnidireccionalSe tiene una estación base montada en el techo, a la cual las otras estaciones tienen línea de vista.

La estación base hace un broadcast de la señal omnidireccional que es recibida por los otros transceivers.

Los transceivers transmiten un haz direccional hacia la estación base.

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Infrared (IR) LANsInfrared (IR) LANsInfrared (IR) LANs• IR Omnidireccional

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Infrared (IR) LANsInfrared (IR) LANsInfrared (IR) LANs• IR Omnidireccional Difuso

Todos los transmisores IR están apuntando a un punto en el techo de materiales que permitan reflexión difusa.

La radiación IR que incide en el techo es re-radiada de forma omnidireccional y captada por todos los receptores en el área.

• Ejemplo de LAN con IRSe aprecian varias estaciones base montadas en el techo.

Cada estación provee conectividad a un número de máquinas fijas y móviles.

Las estaciones base están conectadas alámbricamente hacia el servidor (en la figura), que sirve como punto de acceso a la red cableada LAN.

Se observa la presencia de salas de conferencia sin una estación base, en donde se establece una red ad hoc.

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Infrared (IR) LANsInfrared (IR) LANsInfrared (IR) LANs

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WLANs con spread spectrumWLANs con WLANs con spreadspread spectrumspectrum• El tipo mas popular de WLAN usa SS (spread spectrum).

• Se utilizan múltiples celdas.En oficinas (áreas) pequeñas, una celda puede ser suficiente.Celdas adyacentes utilizan diferentes frecuencias centrales dentro de una misma banda para evitar interferencia.Dentro de una celda se puede utilizar una configuración peer-to-peer (ad hoc), o se puede utilizar un punto de acceso que está conectado a la red LAN alámbrica.

• Un punto de acceso (Access Point):Permite la conexión a estaciones en la red alámbrica o estaciones móviles en otras celdas.Puede controlar el acceso (la función de coordinación en IEEE 802.11).Puede actuar como un repetidor para servir a estaciones que se encuentran a mayores distancias.Toda estación transmite y recibe del punto de acceso.Puede ofrecer “hand-off” automático a estaciones móviles.

En un instante dado, un número de estaciones están dinámicamente asignadas a un punto de acceso basados en proximidad (niveles de potencia).Cuando el punto de acceso detecta una señal débil, automáticamente entrega el control de la estación móvil al punto de acceso mas cercano.

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WLANs con spread spectrumWLANs con WLANs con spreadspread spectrumspectrum• Problemas de transmisión

Si se requieren licencias, lo cual depende de las regulaciones de cada país.En USA, la FCC (Federal Communications Commission) ha autorizado dos aplicaciones sin licencia en la banda ISM:

Sistemas que pueden operar hasta 1 watt.

Sistemas de baja potencia que pueden operar hasta 0.5 watt.

En USA se tienen 3 bandas para operar spread spectrum sin licencias.902 – 928 MHz (banda de 915MHz) ->26 MHz disponibles

2.4 – 2.4835 GHz (banda de 2.4 GHz) -> 83.5 MHz disponibles

También usada en Europa y Japón.

5.725 – 5.825 GHz (banda de 5.8 GHz) -> 100 MHz disponibles

Mientras mayor es la frecuencia, mayor es el potencial ancho de banda, y las tres bandas se hacen mas atractivas desde el punto de vista de capacidad.

Fuentes de interferencia.Hay dispositivos que operan a 900MHz como teléfonos inalámbricos, micrófonos inalámbricos, radio amateur.

H tid d d di iti 2 4GH

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WLANs con microonda de banda estrechaWLANs con microonda de banda estrechaWLANs con microonda de banda estrecha

• “Microonda de banda estrecha” se refiere al uso de bandas de frecuencias de microonda con un ancho de banda relativamente estrecho.

Lo suficiente para acomodar la señal.

• Los productos de WLAN de microonda de banda estrecha usaban típicamente bandas licenciadas.

Al menos un vendedor ofrece ahora productos en la banda ISM (no licenciada).RadioLAN

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WLANs con microonda de banda estrechaWLANs con microonda de banda estrechaWLANs con microonda de banda estrecha

• Banda estrecha licenciadaEl uso de frecuencias de microonda para transmisión de voz, datos y video estálicenciado y coordinado para evitar potenciales interferencias entre sistemas.

En USA, las áreas geográficas tienen un radio de 28 km y contienen 5 licencias, con cada licencia abarcando 2 frecuencias.

Motorola posee 600 licencias (1200 frecuencias) a 18GHz, que cubren las áreas metropolitanas con poblaciones de 30000 habitantes.

Se usan celdas, sin sobrelapamiento de frecuencias entre celdas vecinas a 18 GHz.

Como Motorola controla la banda de frecuencia puede garantizar que LANs independientes en áreas geográficas cercanas no interfieren entre si

Se incluye encripción.

Ventaja es que garantiza que no habrá interferencia.

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WLANs con microonda de banda estrechaWLANs con microonda de banda estrechaWLANs con microonda de banda estrecha• Banda estrecha no licenciada

En 1995, RadioLAN fue el primer vendedor en introducir WLANs de banda angosta utilizando el espectro ISM, no licenciado.

Se usa con potencias menores a 0.5 watt.

Los productos de RadioLANOperan a 10 Mbps en la banda de 5.8 GHz.

Cobertura de 50 m en ambientes semiabiertos y 100 m en ambientes abiertos.

Usan una configuración peer to peer con una característica interesante:

Como un substituto a un punto de acceso estacionario, se elige un nodo como “Dynamic Master”, basándose en parámetros como ubicación, interferencia y nivel de la señal.

La identidad del master puede cambiar automáticamente si cambian las condiciones.

También se ofrece una función dinámica de retransmisión que permite a toda estación actuar como un repetidor para dar servicio a estaciones que están fuera del alcance una de otra.