Redes de Datos Inalámbricas - ldc.usb.vewpereira/docencia/inalambricoTelematica/... ·...

Universidad Simón BolívarUniversidad Católica Andrés Bello

Prof. Wílmer Pereira POSTGRADO

Redes de Datos InalámbricasRedes de Datos Inalámbricas

Prof. Wílmer Pereira UCAB/USB



Permite movilidad (celular, laptop, PDA) y cada servicio se sintoniza a distintas portadoras

Las frecuencias son asignadas por organismos públicos en cada país (CONATEL en Venezuela, FCC en USA, ITU a nivel internacional)

IEEE802.11 (WiFi)IEEE802.15.1 (Bluetooth, ZigBee,UWB)

IEEE802.16 (WiMax)

Espectro ElectromagnéticoEspectro Electromagnético



Asignación del Ancho de BandaAsignación del Ancho de Banda

Concurso de Méritos

Corrupción a empleados públicos

Sorteo

Compañías sin interés y revenden

Subasta

Desesperación de empresas por obtener anchos de banda => sobreprecio => bancarrota

Bandas ISM

Poca potencia => poco alcance

Interferencia entre distintos estandares



Multiplexado

FDMFDM (Frecuency Division Multiplexing)

El espectro se divide en canales exclusivos para cada comunicación (analógico) TDMTDM

(Time Division Multiplexing)

El ancho de banda lo tiene todo el canal lógico pero sólo por cierto tiempo (digital)

FHSS o DSSSFHSS o DSSS Técnicas de espectro disperso …

Se usa tanto digital como analógico



Medios InalámbricosMedios Inalámbricos Radio: Mayor de 1 Mhz y menor de 100 MHz

Omnidireccional y penetra edificios VLF, LF y MF (radio AM) viaja pegado a la tierra HF (radio FM) viajan rebotando de la ionosfera

Radio aficionados HF y VHF (por encima de radio FM)

Micro Onda: Mayor de 100 MHz y menor de 100 GHzDireccional y no penetra edificios Afectado por lluvia y por desfase en tiempo (refracción)

Bandas libres ISM (900 MHz, 2,4 GHz y 5 GHz) para:controles de garages, hornos microondasteléfonos inalámbricos, alarmas de carros, etc

Infrarojo: Distancias cortas y no atraviesa objetos sólidos

Más seguro y sin licencias pero no se puede usar en pleno sol

Laser: Barato, alto ancho de banda y no requiere licenciaPerturba niebla y lluvia



Estándares Inalámbricos por CoberturaEstándares Inalámbricos por Cobertura

WPAN: Wireless Personal Area Network IEEE802.15

Bluetooth (IEEE802.15.1)ZigBee (IEEE802.15.4)Ultra Wide Band (IEEE802.15.3)

WLAN: Wireless Local Area Network IEEE802.11

WiFi (a, b y g)

WMAN: Wireless Metropolitan Area Network IEEE802.16

WiMax (IEEE802.16)Mobile Broadband Wireless Access (IEEE802.20)



Capa Física: 802.11a, 802.11b y 802.11g

Infrarojo: Corto alcance Seguro Muchos standards

Radio: Largo alcance Bajos niveles de potencia < 1 WattUsa secuencia ortogonales para representar los 1FCC definió tres bandas de frecuencia (ISM)

902-928 MHz 26MHz 2,4-2,48 GHz 83.5 MHz 5,72-5,85 GHz 125 MHz

Inspirado en IEEE802.3 (CSMA/CD), con velocidades de transmisión entre 11 Mbps a 54 Mbps

A dos capas: física y MAC

WLAN: IEEE802.11 (WiFi)WLAN: IEEE802.11 (WiFi)



Capas del Modelo InalámbricoCapas del Modelo Inalámbrico

Infrarrojo: 1-2 Mbps. Se usa en impresoras y PDA.FHSS (Espectro Disperso con Saltos de Frecuencia): 1-2 Mbps. 79 canales sobre 2,4 GHz Con semilla se producen números pseudo-aleatorios Estadía en cada frecuencia < 400 mseg. Bueno ante interferenciasDSSS (Espectro Disperso de Secuencia Directa): 1-2 Mbps, 2.4 GHz, como CDMA Se pretendió que fuera un standard pero se libero en mayo 2002OFDM (Multiplexion por División de Frecuencias Ortogonales): 54 Mbps, 5GHz IEEE802.11a, como espectro disperso, mas canales descendentes Compatible con HyperLAN (standard europeo)HR-DSSS (Espectro Disperso de Secuencia Directa de Alta Velocidad): 11 Mbps, 2.4 GHz IEEE802.11b, más lento que IEEE802.11a pero mas eficienteOFDM2.4 (Multiplexion por División de Frecuencias Ortogonales 2.4GHz): 54 Mbps, 2.4 GHz IEEE802.11g

F I S I CA



Permite conexión no cableada más mobilidad de computadores

Dos capas (uso del espectro y manejo y contención del canal)Imposibilidad de detectar colisiones al transmitirProblemas típicos de transmisión inalámbrica:

(1) Estación oculta (A transmite a B y no vé que C también)(2) Estación expuesta (B transmite a A y C cree que no puede a D)

A DCB

No todas las estaciones se ven por su radio de cobertura

Puede haber transmisión simultanea aún con medio compartido

E NL ACE

M A

C

Capa de Acceso al MedioCapa de Acceso al Medio



Capa MAC: (CSMA/CA = Carrier Sense Multiple Access/Colision Avoidance)

Gestiona el espectro compartido, evitando colisionesSi dos estaciones siente libre el canal, espera un tiempo aleatorio antes de transmitir. El tiempo es calculado (backoff factor) para evitar al máximo las colisiones.Cuando puede transmitir debe:

El emisor enviar un RTS con el tamaño del paqueteSi el receptor escucha el paquete, responde con CTSEl emisor envía el paquete y espera un ACK del receptor

Entretanto las demás estaciones esperan un tiempo NAV

Este intercambio evita el problema de la estación oculta

MACAW

Protocolo IEEE802.11Protocolo IEEE802.11



Ad-hoc (red sin estructura)

Cada nodo se comunica entre si.Usa algoritmos de selección de máquina maestro (SAE)También algoritmos de inundación o difusión Contruyen un árbol expandido

Infraestructura (alrededor de un concentrador inalámbrico)

Fixed Access Points conectados mediante cables a la redPrecios para Access Points oscilan entre1300.000 y 300.000 BsNo hay reglas en colocación de Access Points, depende del entorno

DCF (Función de Coordinación Distribuida) MACAW

PCF (Función de Coordinación Puntual) Trama Guía o Faro

Configuraciones IEEE802.11Configuraciones IEEE802.11



Enfoque con Estación Base (PCF)Enfoque con Estación Base (PCF)Una estación base controla el canal preguntando, por sondeo, a cada estaciónUna trama guía (10 a 100 mseg) indica: tiempo de permanencia, reloj, etcCada estación debe subscribirse para obtener los derechos de transmisiónLa estación base puede colocar en hibernación a cualquier estaciónDado que el canal es muy ruidoso, se fragmenta para retransmitir menos

PCF y DCF pueden coexistir ...

SIFS: Cualquier estación puede enviar CTS, RTS o ACK´s de fragmentosPIFS: Sólo trama guía o trama de sondeo y de datos de la estación baseDIFS: Cualquier estación pude tomar el canal y si hay colisión EBO)EIFS: Reportar tramas erroneas



Tramas 802.11 Wi-FITramas 802.11 Wi-FI

Control: tipo de trama, manejo de fragmentación, retransmisiones, hibernación, cifrado, etc

Duración: para definir NAVSecuencia: numeración de fragmentosDirecciones: donde está y hacia donde hace el handover.

Servicios:Entre celdas: Asociación (PCF) Disociación Reasociación

Distribución (enrutamiento) Integración (gateway)

Dentro de la celda: Autentificación (no reciproca …) Desautentificación(despues de la asociación) Privacidad (RC4) Entrega de Datos



Servicio banda ancha inalámbrica IEEE802.16 para servicios multimedias: dato, voz y video. El ancho de banda oscila entre 5 y 66 GHz

802.11 vs 802.16:802.16 tiene más alcance con menor pérdida por ser un ancho de banda más alto pero ... es afectado por fenómenos atmosféricos802.16 (OC) ofrece más usuarios por celda que 802.11 (NOC, aunque …)802.11 soporta usuarios móviles pero no 802.16 (no tiene handoff pero IEEE802.16e si!)802.16 tiene seguridad obligatoria y es direccional (802.11 es omnidireccional)

QAM-64 a 150 MbpsQAM-16 a 100 MbpsQPSK a 50 Mbps

WMAN: IEEE802.16 (WiMax)WMAN: IEEE802.16 (WiMax)



La capa superior permite integración con cualquier protocoloAutentificación (RSA), privacidad (TripleDES) e integridad (SHA-1)La capa 2, en general, ofrece:

tasa de bits constante (voz comprimida)tasa de bits variable en tiempo real (multimedia comprimida)tasa de bit variable no en tiempo real (transmisión pesada diferida)mejor esfuerzo (sin sondeo y compitiendo)

El sondeo es permanente para adecuarse al servicio del usuario. Si envía poco, coloca la estación en un grupo de multidifusiónAsignación de banda por estación o por conexiónIEEE801.16a soporta OFDM (2-11GHz) y IEEE802.16b ISM a 5GHz

Capas IEEE802.16Capas IEEE802.16



Trama y uso del canal

Canal descendente lo controla la radio base y el ascendente lo solicita el usuario

EC: cifrado o noTipo: fragmentación o noCI: chequeo de errores o no (separado encabezado de datos)EK: tipo de clave Además está la trama de solicitud de ancho de banda



WMAN: IEEE802.20, MBWAWMAN: IEEE802.20, MBWAInspirado en WiMax con la diferencia de que funciona

con el usuario en movimiento hasta 250 Km/hIEEE802.16e soporta sólo hasta 120 Km/h

Mobile Broadband Wireless Access es parte de los comités que desarrollan WiMax

Debería ser completamente compatible con redes IP

Competirá con telefonía 4G ...

El standard debería finalizar a finales del 2007



WPAN: Bluetooth (Harald Blaatand 940-981)

Red para acceso a usuario final (WPAN) en el ISM 2,4 GHzcon dispositivos de bajo consumo (CMOS) y económicos (< 5$)

Va hacia el ISM 5GHz

Sincroniza PDA, laptops, teléfonos celulares, audífonos, etcNace en 1998 con un consorcio de empresas (Ericsson, Intel, IBM, Toshiba y Nokia) bajo un SIG (Special Interests Group). También como standard IEEE802.15.1 aunque solo las capas física y MACAhora son incompatible pero en proceso de acoplarseDispone de herramientas para desarrollar aplicaciones y un Kit de desarrollo con una tarjeta cliente (esclavo) y una estación servidor (maestro). La comunicación es siempre contra el maestro

Ante fracaso de las redes infrarojas propuestas por HP



Especificaciones de Bluetooth

La potencia de salida es de alrededor de 1 mW (celdas pequeñas o picoceldas de 10 mts) o 100 mW (100 mts)Un conjunto de picoceldas conectadas es una scatternet con un nodo puenteManeja una configuración de un nodo maestro (sincronización)con máximo 7 nodos esclavos (aunque puede haber hasta 255estaciones en estado de bajo consumo)Los esclavos son pasivos y todo el control lo lleva el maestro(centralizado TDM llevando el reloj y los saltos de frecuencia - FHSS -)Máximo de 1Mbps compartidos con todas las estaciones presentesen la picocelda



Perfiles BluetoothPerfiles Bluetooth

Muchas capas en el modelo

Razón es la ley de Conway: Si se asignan n personas en una tarea la

desarrollarán como una actividad a n pasos

Quizás 2 servicios en lugar de 13 hubiese sido suficiente como: transferencia de archivos y flujo continuo de comunicación en tiempo real



Modelo de capas IEEE802.15

Banda base

L2CAPRFCOM SDP TCS

Protocolos de nivel superior

LLCAudio

FISICA

Control

FISICA: FHSS por saltos de frecuencia: 79 canales, 1MHz cada canal,1600 saltos y 625 μseg por salto (sincronización cada 250-260 μseg)

Banda Base: Controla las ranuras de tiempo con TDM (ranuras pares maestroranuras impares esclavos) y ACL (Asíncrono no orientado a conexión)o SCO (Síncrono orientado a conexión)

LLC: Interfaz con las capas superiores SDP: Encontrar servicios y dispositivos dentro de la picoceldaRFCOM: Emular conexiones de puerto serial (controlar dispositivos)TCS: Control telefónico (hasta tres perfiles de voz)L2CAP: Entramado, multiplexión, administración de energía y QoSControl y Audio: No pasan por L2CAP



Trama BluetoothTrama Bluetooth

Código de Acceso: Identificación del maestroDirección: 3 bits (1 maestro y máximo 7 esclavos)Tipo: ACL: Tráfico sin garantías (mejor esfuerzo). Un ACL por esclavo

SCO: Datos en tiempo real con ranura fija. Hasta 3 enlaces SCO Poll: Determinar si esclavos están activos Null: Información del enlace

F: Control de flujo indicando que buffer está llenoA: Acuse de recepciónS: Número de secuencia (stop and wait)

Los encabezados se pueden repetir 3 veces para corrección de errores por redundancia En modo SCO también se puede repetir la carga util 3 veces para corrección por redundancia



Seguridad con cifrado (hasta 64 bits), autentificación y por los saltos de frecuencia

Tipos de conexiones:

Standby: Solo escuchan mensaje cada 1,28 seg. No están conectados

Page/Inquiry: En page esclavo desea conexion con un dispositivo y maestro difunde. En inquiry maestro interroga por MacAddress

Active: Modo utilizado durante la transmisión de datos

Hold: Modo de no transmisión pero con el control del enlace

Sniff: Esclavo escucha canal a nivel reducido sin rol activo en la picocelda

Park: Modo más reducido que hold pues sólo escucha la sincronización y los mensajes de difusión sin MacAddress

Otras Caracteristicas de Otras Caracteristicas de BluetoothBluetooth



LP-WPAN: IEEE802.15.4 (ZigBee)LP-WPAN: IEEE802.15.4 (ZigBee)Protocolo con hardware de bajo costo (1,1$), sencillo y con

poco consumo energético para control de sensoresen monitoreo de dispositivos en casa y la industria

CAPA FISICA (PHY):Puede funcionar de 10 a 75 mts, en las bandas:

868 Mhz para Europa (un canal de 20 Kbps),ISM: 902-928 Mhz (10 canales de 40 Kbps)ISM: 2,4 Ghz (16 canales de 250 Kbps)

Usa DSSS con O-QPSK en la banda de 2,4 Ghz y BPSK en 868 MHzFunciones a nivel físico:

Activación y desactivación de nodosDetección de energíaIndicador de calidad del enlace (consulta de PIB)Detección de actividad del canalRecepción y transmisión de datos



Arquitectura de capas total Arquitectura de capas total

Standard público de ZigBee Alliance desde junio/2005 con Zigbee 1.0

Fuerte competidor de Bluetooth pero:• 8 (Bluetooth) vs 65.536 (ZigBee) dispositivos• 3 seg (Bluetooth) vs 15 mseg (ZigBee) para unirse a la red• ZigBee considera ahorro de energía pero menor ancho de banda que Bluetooth• Bluetooth implementa calidad de servicio lo cual lo hace muy lento

IEEE802.15.4MAC (2)PHY (1)

ZigBee AllianceMWK (3)

APL (4 y5)



IEEE802.15.4: Capa Física (PHY)IEEE802.15.4: Capa Física (PHY)

FHSS (Espectro Disperso con Saltos de Frecuencia): 1-2 Mbps. 79 canales sobre 2,4 GHz Con semilla se producen números pseudo-aleatorios Estadía en cada frecuencia < 400 mseg. Bueno ante interferencias

DSSS (Espectro Disperso de Secuencia Directa): 1-2 Mbps, 2.4 GHz, como CDMA Se pretendió que fuera un standard pero se liberó en mayo 2002

QPSKQAM-16QAM-64

Quadrature Phase Shift Keying



Usa CSMA/CA (Carrier Sense Medium Access/ Collision Avoidance) pero sin RTS, ni CTS solo con ACK (más rápido y con menor consumo de energía)

Funciones de la capa 2:Transmisión de la trama de sondeo o balizaSincronización de la trama balizaAsociación y disasociaciónCSMA/CA a dos víasTransmisiones garantizadas (GTS) o por contención (CAP)Enlace confiable entre dos nodos

Baliza da informacion de la supertrama

SO longitud de la supertramaBO longitud de baliza (con inactividad)

Si SO=BO no período de inactividadSi BO > SO hay período de inactividad

IEEE802.15.4: Capa de Acceso al Medio IEEE802.15.4: Capa de Acceso al Medio (MAC)(MAC)



Ejemplo de Supertrama MACEjemplo de Supertrama MAC



MAC: Tipos de TransmisiónMAC: Tipos de TransmisiónCoordinador a dispositivo final:

•El coordinador tiene datos para el dispositivo final.•Este lo indica en el campo direcciones pendientes de la trama baliza•Dispositivo despierta y explora la baliza verificando el campo de direcciones pendientes.•Si el dispositivo ve su direccion, sabe que el coordinador tiene dato para él.•El dispositivo envía un comando Data-Request al coordinador.•El coordinador responde con un ACK y envía los datos.•El dispositivo responde con ACK.



MAC: Tipos de TransmisiónMAC: Tipos de TransmisiónDispositivo final a coordinador:

•El dispositivo final escucha la trama baliza.•El dispositivo se sincroniza con la supertrama para saber el período de contención.•El dispositivo compite con sus pares por el canal compartido.•En su momento transmitirá los datos al coordinador.•El coordinador replicará con un ACK si no es opcional.

También está la comunicación entre dispositivos finales aunque no predeterminada en el protocolo



Ad-hoc (red sin estructura fija con enrutamiento dinámico)

Cada nodo se comunica entre si.Usa algoritmos de selección de máquina maestro o coordinadorTambién algoritmos de inundación o difusión Contruyen un árbol expandido o sumidero

Infraestructura (alrededor de un concentrador inalámbrico)Con Access Points conectados mediante cables a la red (caso WiFi)No hay reglas en colocación de Access Points, depende del entorno

ZigBee Alliance: Capa Red (NWK)ZigBee Alliance: Capa Red (NWK)Servicios de descubrimiento y

mantenimiento de rutas, seguridad, asociación y disasociación



Enrutamiento ad hocEnrutamiento ad hocNodos móviles y routers móviles ...

No hay topología fija ni vecinos conocidos ... AODV (Vector distancia ad hoc bajo demanda)Aunque las especificaciones de ZigBee Alliance no lo indica explícitamente AODV cumple con las condiciones de la documentación

Limitaciones:

Los enlaces pueden ser asimétricos A B Estar en el radio de acción, no significa estar conectado (interferencias o diferencia de potencias)Se envían paquetes de route request y route replySe calculan árboles sumideros



Descubrimiento de ruta en redes ad-hocDescubrimiento de ruta en redes ad-hoc

Solicitud de ruta (route request): Se busca en la tabla de historia, si es duplicado descartar sino agregar a la tabla de historiaRespuesta de ruta (route reply): Si el receptor conoce el destino, le indica al solicitante que puede pasar a través de él (más reciente si número de secuencia de destino mayor) Ruta desconocida: Incrementa número de saltos y vuelve a difundir colocando un temporizador. Además aprovecha esta información para construir el árbol sumidero



Mantenimiento de ruta en redes ad hocMantenimiento de ruta en redes ad hocEn el camino de regreso se inspeccionan los paquetes y se actualizan lastablas de enrrutamiento local si:

• No se conoce esa ruta• El número de secuencia mayor que el conocido (más reciente)• La nueva ruta es más corta

Con el tiempo de vida inicializado al diametro de la red, se difunde menoso con tiempo de vida que aumentan para buscarlo lo mas cerca posibleDifunde periódicamente HELLO para ver vecinos activos y notifica en casode que un nodo no esté disponible

Route Request

Route Reply



Configuraciones de ZigBeeConfiguraciones de ZigBeeTres configuraciones, con hasta 65.536 nodos (direcciones de red):

Estrella (centralizado con uso de la trama de sondeo o baliza) Rejilla o Mesh (sin trama de sondeo y punto a punto usando MACAW) Arbol (híbrido).

Tres tipos de nodos:Coordinador Enrutador Red autoorganizadaDispositivo final

Coordinador: En estrella inicializa y da mantenimiento a dispositivosEn árbol y rejilla inicializa la red y fija parámetro de routers

La seguridad es con algoritmos de cifrado simétrico y funciones de hash

Un enrutador ZigBee no necesariamente es un coordinador



ZigBee Alliance: Capa Aplicación ZigBee Alliance: Capa Aplicación (APL) (APL)

Consiste del

APS Concuerda nodos con sus necesidadesSeguridad con clave maestra para negociar claves de sesión

ZDO: Define los roles o perfiles de los dispositivos Descubre dispositivos con los servicios que proveen

Los perfiles se enlazan en agrupamientos (clusters)



Estructura de Tramas MACEstructura de Tramas MAC

Máxima carga de datos hasta 104 bytes, direcciones IEEE de 64 bits Paquete MAC para configuración a distancia La trama baliza o sondeo despierta a los dispositivos e inmediatamente vuelven a dormirse si no reciben mas datos (intervalos de 15 msg a 4 min) El tiempo de balizado es predeterminado y hasta el coordinador duerme ...



Estructura del Nodo ZigBeeEstructura del Nodo ZigBee

El sensor es independiente del mote La pila de protocolos está en una memoria flash



Alrededor de ZigBee ...Alrededor de ZigBee ...

Ancho de banda limitado para voz o video aunque no es el énfasis.

Con un alto número de dispositivos y aun con un período de sondeo muy corto el rendimiento de la red y la duración de las baterias decaen .Es por ello que se proponen redes ZigBee con troncales WiFi.

Competidores con standard propietario: Zwave (promete menos interferencia con WiFi) y Insteon (Kit de desarrollo muy económicos).Ambos se abocan principalmente a la domótica inalámbrica en el hogar



WPAN: IEEE802.15.3 (UWB)WPAN: IEEE802.15.3 (UWB)Protocolo con alta velocidad de transferencia a muy

corta distancia usando un ancho de banda que solapa los otros protocolos inalámbricos

Usa un gran ancho de banda (3-10 GHz) con billones pulsos enviado, cada uno, a menos de 1 ηseg

A baja potencia de transmisión (diezmillonesima parte de la potencia de un celular) y por lo estrecho de los pulsos no causa interferencia (aunque la FCC no ha demostrado que no interfiera a alta potencia)

Puede llegar hasta 600 Mbps a distancias muy cortas (< 5mts) y Aumentando la potencia hasta 1 Gbps

Ideal para tráfico multimedia (monitores sin cable, cámaras de video, DVD con TV, ...) y pretende asociarse con Wireless USB (aún en discusión)Intel está fabricando chips con esta tecnologíaUna opción posible es que la capa física de IEEE802.15 sea UWB



Comparación de tecnologías Comparación de tecnologías inalámbricasinalámbricas

Interferencias en 2,4 GHzIEEE802.15.2 (coexistencia de WLAN y WPAN) para resolverlo …MobilianMobilian (Bluetooth+WiFi) con su producto TrueRadio (comprada en Nov/2003 por INTEL)

Productos WPAN IEEE802.15.1 - BluetoothIEEE802.15.3a - UWB IEEE802.15.4 - Zigbee

WLAN IEEE802.11 - WiFiWMAN IEEE802.16 – WiMax

IEEE802.20 - MBWA

… se invaden los mercados mutuamente …

IrDA viene ofreciendo anchos de banda mayores que los de Bluetooth … (16 Mbps)

Ni WiFi ni Bluetooth ofrecen tráfico multimedia pero WiMax y UWB si … AunqueWiFi se expande al área metropolitana WiMax parece ser el standard 4G de telefonía celular ...



Aspectos a favor:Mobilidad con los mismos servicios de red (Web, FTP, etc)Manejo de memoría permanente a través de la red

(cuando se usan PDA o laptops)

Aspectos a mejorar:Lentitud de los enlaces inalámbricosSeguridad implica cifrado pero este implica aún más lentitudMás costosa con respecto a los enlaces cableadosRedes inalámbricas únicas de múltiples servicios

(aún lejos de la standarización)Problemas de salud ???

Desafíos de la Comunicación Desafíos de la Comunicación InalámbricaInalámbrica

Redes de Datos Inalámbricas - ldc.usb.vewpereira/docencia/inalambricoTelematica/... ·...

Documents

Transcript of Redes de Datos Inalámbricas - ldc.usb.vewpereira/docencia/inalambricoTelematica/... ·...