Fundamentos de Redes Inalámbricas y Protocolos de Comunicación: De la Radiofrecuencia a IEEE 802.11

Fundamentos de Redes Inalámbricas

Radiofrecuencia (RF)

La Radiofrecuencia (RF) es el único sistema inalámbrico que usan las comunicaciones móviles. Alternativas: infrarrojos (pero las redes no lo asumen). Características: Canal variable (interferencias, fading, intermodulación y ruido), la comunicación se vuelve más compleja (modulación, codificación).

Capacidad y Frecuencia

Alta tasa de transmisión. Requisitos: Alto ancho de banda, alta frecuencia portadora. Compensación: Cobertura y capacidad. Historia: Inicialmente bandas de baja frecuencia, tendencia a ocupar bandas de frecuencia más altas, mayor complejidad de implementación.

Autonomía del Sistema y Potencia (System Power)

Baterías: Características: Capacidad, densidad, ciclos de carga (load cycles).
Supercondensadores: Permiten almacenamiento de energía (panel solar, vibración), capacidad de obtención y almacenamiento para cuando no hay energía.

Protocolos y Potencia Autónoma

Internet nació asumiendo que los dispositivos se alimentan por red eléctrica, consumen energía en modo escucha, la vida útil es finita, los protocolos deben tener en cuenta la cantidad de energía disponible para que un dispositivo se comunique y el tipo de fuente.

Movilidad

Capacidad de un nodo para cambiar su ubicación dentro de la red.
Nodo: Dispositivo terminal (móvil, PC), dispositivo no terminal (enrutador). Grupos de nodos (redes móviles).
Movilidad personal: Capacidad del usuario de usar el servicio independientemente del dispositivo terminal, red, o cambio de dispositivo (ej. VoIP, mensajería, correo electrónico).
Movilidad continua: El usuario requiere una red o servicio continuo, movilidad discreta.

Soporte de Movilidad (Mobility Support)

Técnicas usadas por la red o servicio para apoyar el tipo de movilidad (dispositivo, personal, continuo o discreto).
Diferenciación de servicios basados en protocolos: Webmail: HTTP; Mensajería: VoIP, SIP. Las soluciones dependen de cada servicio. Las redes necesitan funciones para funcionar. Depende de: Interconexión, control de flujo, errores, congestión, enrutamiento, direccionamiento. Ej: Internet (@IP, prefijo, identificador de host); Ethernet (@MAC, enrutamiento, flexible).

¿Qué pasa cuando el terminal se mueve?

En PSTN es necesario un nuevo número de teléfono; los paquetes no se pueden enviar sin cambiar la IP; no recibe paquetes si se envían al antiguo; con una nueva IP se deben restablecer las conexiones.

Escenarios de Movilidad

• Device Mobility: Si cambia de AP (de clase a cantina es un nuevo AP).
• Personal Mobility: Si cambia de IP.
• Continuous Mobility: No hay interrupción en la conversación.

Impacto de la Movilidad

Conduce a cambios frecuentes en la capa física: SNIR no constante.
1er enfoque: Robustez, modulaciones y mecanismos de control de errores.
2o enfoque: Elegir la mejor opción de un conjunto de mecanismos.
3er enfoque: Adaptación del canal, técnicas de codificación cambian según el canal.
Impacto en la capa de enlace: si el sistema no es robusto, la PDU puede perderse, cambio en la tasa de bits y retardo, tiempo de procesamiento, RTT, el enlace cambia si SNIR < min. Ej: cambiar de 3G a 4G.
Solución: Más tasa de bits (bitrate), menos retraso, adaptación a la condición de enlace, capa de red y transporte optimizadas.

Estándar IEEE 802.11

Características Generales

WLAN de 100m, uso de espectro sin licencia, conecta todo. Conjunto de estándares para WLAN. Especificación MAC y PHY, MAC se basa en CSMA/CA. Nació para aprovechar el fallo de la FCC de 1985 que publicó la banda ISM sin licencia.
1997: Primer estándar.
1999: 802.11a.

Topologías

• STA: Cualquier dispositivo con MAC y PHY conforme a IEEE.
• AP: Una STA que proporciona acceso al sistema de distribución.
• BSS: Conjunto de STA conectadas.
• Ad-hoc: Cualquier STA establece comunicación con otra STA.
• ESS: BSS conectados a un DS común.

Acceso Básico (Basic Access)

2 modos: Función de coordinación distribuida (DCF) y Función de coordinación de puntos (PCF).
PCF: Centralizado, basado en encuestas. No apto para BSS ad-hoc, sin implementaciones comerciales.
DCF: Distribuido, no requiere coordinador, ideal para BSS. Usa CSMA/CA (evita colisiones, tiempo de espera aleatorio, disminución de temporizador de retroceso, interrupción expuesta e inactivo durante DIFS para enviar frame; si el frame se pierde, la ventana de contención CW se duplica, control de trama mediante ACK).

Problemas en el Acceso

Nodo oculto: El intercambio de RTS/CTS podría usarse en ambos casos; la señalización adicional implica pérdida de eficiencia.

Acceso Mejorado (Enhanced Access)

IEEE 802.11e define un nuevo esquema de acceso MAC. Función de coordinación híbrida (HCF): considera PCF y DCF. Acceso controlado por HCF (HCCA), acceso al canal DCF mejorado (EDCA).
HCCA permite parametrización precisa de QoS, implementación compleja, opcional.
EDCA se basa en diferenciación de tráfico, no garantiza ancho de banda (BW) ni retardo (delay), obligatorio. 4 categorías de acceso (AC): voz, vídeo, best effort, background. Admite 8 valores de prioridad de usuario (UP), cada AC puede contener más de 1 UP, el tráfico de mayor UP se transmite primero dentro de un AC. Si hay colisión, el frame con más prioridad se envía primero.

Agregación

• A-MSDU: Varias tramas Ethernet para un destino común envueltas con una sola trama 802.11 de hasta 8kB, solo 1 preámbulo y cabecera .11, solo un FCS protege los datos, sin IFS.
• A-MPDU: Envía múltiples tramas .11 a la vez de hasta 64kB, cada trama tiene FCS, una sola trama ACK reconoce todas las tramas, mapa de bits para reconocer fotogramas individuales, solo retransmite tramas no reconocidas.

CSMA/CA limita el rendimiento máximo, sobrecarga irreducible (DIFS, SIFS, backoff, ACK), rendimiento máximo con tasa < 70 Mbits/s, necesita agregación para mayor rendimiento.

Anomalía de Rendimiento (Performance Anomaly)

Hay STA lentas (lejos) y rápidas (cerca), todas las STA tienen el mismo tiempo de transmisión (Tx) pero las lentas ocupan el medio durante un período más largo. Maximice el rendimiento con ESS con áreas BSS superpuestas y agregación de tramas (802.11ac).

Capa Física (Physical Layer)

Bandas de Frecuencia y Compromisos (Freq Bands & Tradeoffs)

Compromiso (Tradeoff): Alcance (range) vs. Capacidad: las frecuencias más bajas se benefician de una mejor propagación, mejor penetración, mayor difracción permite enlaces sin línea de visión (NLoS), menores pérdidas de propagación (dB/m). Las bandas más altas están menos concurridas, y las antenas pequeñas facilitan la tecnología MIMO.