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REDES INALÁMBRICAS Y MÓVILES, Autor: Fabian Alejandro Cristancho Rincón -…
REDES INALÁMBRICAS Y MÓVILES
VISTA GENERAL
Se pueden encontrar
estos elementos en
una red inalámbrica
Infraestructura de Red
Es la red de mayor tamaño con la que un
host inalámbrico puede querer comunicarse
Estación base
Es responsable de enviar y recibir datos hacia
y desde un host inalámbrico que esta asociado
con ella.
Puede coordinar la transmisión de los múltiples hosts inalámbricos que están asociados con ella
Como ejemplos se pueden encontrar las torres de telefonía en las redes celulares y los puntos de acceso en las redes inalámbricas IEEE 802.11
Enlaces inalámbricos
Medio por el que se conecta un host a una estación
base o a otro host inalámbrico.
Se utilizan en ocasiones dentro de una red para conectar entre sí
routers, switches y otros equipos de red
Host Inalámbricos
Actúan como sistemas terminales
y ejecutan las aplicaciones
Pueden ser computadoras portátiles, tabletas,
teléfono inteligente o computadoras de
escritorio.
Las redes inalámbricas
se pueden clasificar en
Redes sin infraestructura
y único salto
No existe una estación base conectada
a una red inalámbrica
Uno de los nodos de esta red puede coordinar
las transmisiones de los nodos restantes
Ejemplos son las redes Bluetooth
y las redes 802.11 en modo ad hoc
Redes basadas en infraestructura
y múltiples saltos
Existe una estación base que está cableada
a la red de mayor tamaño.
Algunos nodos inalámbricos pueden tener que
retransmitir comunicaciones a través de otros
nodos para comunicarse a través de la estación
base
Ejemplos son las redes de sensores inalámbricos y
redes de malla inalámbricas
Redes basadas en infraestructura
y único salto
Tienen una estación base conectada a una red cableada de mayor tamaño
La comunicación se realiza entre la estación base y un host
inalámbrico con un único salto inalámbrico.
Las redes 802.11 que se usan en las aulas
y cafeterías es ejemplo de ello
Redes sin infraestructura y múltiples saltos
No existe una estación base y los nodos pueden tener que
retransmitir sus mensajes a través de otros nodos para
alcanzar cierto destino
CARACTERÍSTICAS DE LAS REDES
Y ENLACES INALÁMBRICOS
Intensidad decreciente
de la señal
A medida que se incrementa la distancia entre emisor y
receptor se decrementa la intensidad de la señal
Propagación multicamino
Tiene lugar cuando partes de la onda electromagnética se
reflejan en los objetos y el suelo, tomando caminos de diferentes
longitudes entre un emisor y un receptor.
Esto hace que la señal recibida sea menos limpia en el receptor
Interferencias de otros orígenes
Los orígenes de radio que transmiten en la misma banda de
frecuencia interferirán entre sí
El ruido electromagnético presente en el entorno
también puede provocar interferencias
Tasa de errores de bit
Es la probabilidad de que un bit transmitido
llegue de forma errónea al receptor, en función de la SNR
para tres técnicas de modulación distintas
Para una SNR dada, una técnica de modulación con una velocidad de transmisión de bit más alta tendrá una tasa de errores de bit mayor
Puede utilizarse una selección dinámica de la técnica de modulación de la capa física para adaptar la técnica de
modulación a las condiciones del canal
La SNR (y por tanto la BER) puede variar como
resultado de la movilidad debido a cambios en el entorno
Para un determinado esquema
de modulación
Cuanto mayor es la SNR menor es la BER,
dado que un emisor puede incrementar su
potencia de transmisión
CDMA
El acceso múltiple por división de código (CDMA) pertenece a
la familia de protocolos de particionamiento del canal
Es el protocolo prevalente en las tecnologías celulares y de redes
LAN inalámbricas
Cada bit enviado se codifica multiplicándolo por una señal que
varía a una velocidad mucho mayor (velocidad de chip) que la
secuencia original de bits de datos.
WIFI: REDES LAN INALÁMBRICAS
802.11
Son unas de las tecnologías más importantes
de redes de acceso para internet.
Trama IEEE 802.11
Campos de dirección
El campo de dirección 1 contiene la dirección MAC de la estación
inalámbrica que tiene que recibir la trama.
El campo de dirección 4 se utiliza cuando los puntos de acceso se reenvían tramas entre sí en modo ad hoc.
Dirección 2 es la dirección MAC de la estación que transmite la trama
El BSS forma parte de una subred y esta se conecta a otras subredes a través de alguna interfaz de router. Por tanto, el campo de dirección 3 contiene la dirección MAC de esa interfaz de router.
Campos Número de secuencia,
Duración y Control de trama
El protocolo 802.11 permite a una estación transmisora reservar el canal durante un periodo de tiempo, que incluye el tiempo para transmitir su trama de datos y el tiempo para transmitir una trama de reconocimiento.
El campo de control de trama incluye campos como el tipo y subtipo que se utilizan para distinguir las tramas de asociación, RTS, CTS, ACK y los datos; y los campos "hacia" y "desde" se emplean para definir los significados de los campos de dirección.
El uso de números de secuencia permite al receptor distinguir entre una trama recién transmitida y la retransmisión de una trama anterior.
Campos de carga útil y CRC
En el corazón de la trama se encuentra la carga útil,
que normalmente estará compuesta por un datagrama IP
o un paquete ARP
La trama incluye un código de redundancia cíclica (CRC) de 32 bits, de modo que el receptor pueda detectar errores de bit en la trama recibida.
Movilidad dentro de la misma
subred IP
En muchos lugares se necesita conectar más de un BSS
para que la señal pueda llegar a muchos lugares. Pero,
¿cómo es esto posible?
Los switches disponen de una característica de
"auto-aprendizaje" que les permite construir
automáticamente sus tablas de reenvío.
Esta característica gestiona de forma eficiente
los desplazamientos ocasionales
Si se tienen dos modos BSS conectados,
una solución es que el access point 2 (AP2)
envíe al switch una trama Ethernet de difusión
con la dirección de origen de H1 justo después
de la nueva asociación.
Cuando el switch reciba la trama actualizará su tabla de
reenvío, permitiendo alcanzar a H1 a través de AP2
El protocolo MAC
802.11
No implementa ningún mecanismo
de detección de colisiones porque
La capacidad de detectar colisiones requiere
la capacidad de enviar (la propia señal de la
estación) y de recibir (para determinar si otra
estación está también transmitiendo) al mismo
tiempo.
El adaptador seguirá sin ser capaz de detectar todas
las colisiones, debido a los problemas del terminal
oculto y del desvanecimiento.
Incluye un excelente esquema de reserva que ayuda a evitar
colisiones incluso en presencia de terminales ocultos
Cuando se tienen dos estaciones inalámbricas y un punto
de acceso, ambas estaciones caen dentro del alcance del punto de acceso y están asociadas con el punto de acceso
Pero los rangos de señal de las estaciones inalámbricas
están limitadas y en consecuencia cada una de las estaciones
inalámbricas está oculta a ojos de la otra, aunque ninguna de las dos está oculta para el punto de acceso.
Para evitar este problema, IEEE 802.11 permite
a una estación utilizar una corta trama de control de
solicitud de transmisión (RTS)
y otra corta trama de control de
preparado para enviar (CTS)
El uso de estas tramas mejora
el rendimiento porque
Una trama DATA larga solo se transmitirá
después de haber reservado el canal.
Una colisión que implique a una trama RTS o CTS solo
durará mientras duren esas tramas cortas RTS o CTS.
Características avanzadas
IEEE 802.11
Adaptación de
la velocidad
Algunas implementaciones de 802.11 permiten
seleccionar adaptativamente la técnica subyacente de
modulación de la capa física que hay que utilizar, basándose
en las características pasadas o recientes del canal.
Si un nodo envía dos tramas consecutivas sin recibir
una trama de reconocimiento, la velocidad de transmisión
se reduce al siguiente nivel inferior.
Si se confirman 10 tramas consecutivas o si finaliza el
recuento de un temporizador que controla el tiempo transcurrido
desde la última reducción, la velocidad de transmisión se incrementa al nivel inmediatamente superior.
Este mecanismo de adaptación de la velocidad
comparte la misma filosofía de "prueba" que el
mecanismo de control de congestión de TCP
Es similar a un niño que está constantemente pidiendo más y más a sus padres hasta que los padres dicen finalmente
¡YA BASTA! (Cuando sucede algo malo la velocidad de transmisión se reduce)
Gestión de la
potencia
El estándar permite a los nodos IEEE 802.11 minimizar la cantidad de tiempo de sus funciones de detección, transmisión y recepción, así como otros circuitos que necesitan estar activos.
Opera de la siguiente forma
Se configura un temporizador en el nodo para despertarle justo antes del momento en el AP tiene programado enviar su trama baliza
El AP sabrá que no debe enviar ninguna trama a dicho nodo y almacenará en un buffer todas las tramas destinadas a ese host dormido para su transmisión posterior
Un nodo indica al AP que se va a ir a dormir poniendo a 1
el bit de gestión de potencia en la cabecera de una trama
802.11
El nodo se despertará justo antes de que el punto de acceso envíe una trama baliza y entrará rápidamente en el estado completamente activo
Un nodo es capaz de alterar explícitamente
entre los estados dormido y despierto
Arquitectura 802.11
Su componente principal es el conjunto de
servicio básico (BSS) que contiene una o más
estaciones inalámbricas y una estación base central
conocida como Punto de Acceso.
Cada estación inalámbrica tiene una dirección MAC de 6 bytes que está almacenada en el firmware de la tarjeta adaptadora de la estación
Cada punto de acceso tiene también una dirección MAC para
su interfaz inalámbrica
También se pueden agrupar para formar una red ad hoc;
una red sin ningún control central y que no tiene conexiones
con el mundo exterior.
La red es formada sobre la marcha por una serie de
dispositivos móviles que se han encontrado con que
están próximos entre sí
Canales y asociación
Cada estación inalámbrica necesita asociarse con un punto
de acceso antes de poder enviar o recibir datos de la capa
de red.
Asociarse quiere decir que el dispositivo inalámbrico creará un
cable virtual entre él mismo y el punto de acceso
Específicamente solo el punto de acceso asociado enviará tramas de datos l dispositivo inalámbrico y este enviará tramas de datos hacia internet solamente a través del punto de acceso asociado
El estándar IEEE 802.11 requiere que un AP envíe de forma periódica tramas baliza, cada una de las cuales incluye la dirección MAC y el identificador SSID del punto de acceso.
El proceso de exploración de los canales y de escucha de las tramas baliza se conoce con el nombre de
exploración pasiva
. Un dispositivo también puede realizar una
exploración activa
, difundiendo una trama de sondeo que será recibida por todos los puntos de acceso que caigan dentro del alcance del dispositivo inalámbrico.
Redes de área personal:
Bluetooth y Zigbee
Bluetooth
Es una tecnología de sustitución de cables de baja potencia, corto alcance y baja velocidad que permite la interconexión de una computadora con su ratón, teclado u otro periférico inalámbrico.
Las redes 802.15.1 operan en la banda de radio sin licencia de 2.4 GHz en forma TDM, con particiones de tiempo de 625 microsegundos. Este estándar puede proporcionar velocidades de datos de hasta 4Mbps
Durante cada partición, un emisor transmite en un tiempo de 79 canales, cambiando el canal en una forma conocida pero pseudo-aleatoria de una partición a otra.
Este tipo de saltos se conoce como
Espectro disperso por salto de
frecuencia FHSS
Distribuye las transmisiones a lo largo del tiempo por todo el
espectro de frecuencias
Son redes ad hoc, por lo que no hace falta ninguna infraestructura para interconectar los dispositivos 802.15.1. Estos dispositivos deben organizarse por sí mismos.
Se organizan primero en una
picored
, formada por hasta 8 dispositivos activos. Uno de estos dispositivos se designa como maestro, actuando los dispositivos restantes como esclavos
El nodo maestro gobierna la
picored
, pues es su reloj el que determina el tiempo en la picored
Además de los dispositivos esclavos, puede haber hasta 255 dispositivos aparcados dentro de la red
Estos dispositivos no pueden comunicarse hasta que su estado sea cambiado por el nodo maestro de aparcado a activo
Zigbee
El estándar se conoce como IEEE 802.15.4
Está pensada para aplicaciones de menor consumo de potencia,
menor velocidad de bit y menor ciclo de trabajo que Bluetooth
Ejemplos son los sensores luminosos y de temperatura para
entornos domésticos, los dispositivos de seguridad y los interruptores de montaje en pared
Define velocidades de canal de 20, 40, 100 y 250 kbps,
dependiendo de la frecuencia del canal
En esta red existen dos
tipos de nodos
Dispositivos de función reducida
Operan como dispositivos esclavos bajo el control de
un único dispositivo de función completa
Dispositivo de función completa
Puede operar como dispositivo maestro, controlando múltiples dispositivos esclavos; además, se pueden configurar múltiples dispositivos de función completa en una red de malla en la que los dispositivos de función completa enrutan traman entre ellos
ACCESO CELULAR A INTERNET
Panorámica de la arquitectura
de las redes celulares
Sistemas de segunda
generación (2G)
El estándar GSM para los sistemas celulares 2G
utiliza una combinación FDM/TDM para la interfaz aérea
El canal se particiona en una serie de sub-bandas de frecuencia y dentro de cada sub-banda el tiempo se divide en marcos y particiones
Si el canal está particionado en F sub-bandas y el tiempo se divide en T particiones, entonces el canal podrá soportar F*T llamadas simultáneas
Los sistemas GSM están compuestos por bandas de frecuencia de 200 kHz soportando cada una de esas bandas de frecuencia ocho llamadas TDM. GSM codifica la voz a 13 kbps y 12,2 kbps
El
controlador de la estación base (BSC)
normalmente da servicio a varias decenas de estaciones transductoras base
Su función consiste en asignar los canales de radio de las BTS a los abonados móviles, determinar la celda en la que se encuentra un usuario móvil y llevar a cabo la transferencia de los usuarios móviles.
El
Centro de conmutación móvil (MSC)
desempeña un papel central en lo que respecta a la autorización de los usuarios y la facturación, el establecimiento y finalización de llamadas y la transferencia de las mismas
Redes de datos celulares 3G
Conecta las redes de acceso radio a la Internet pública. El núcleo de la red interopera con componentes de la red celular de voz existente
Debido a la cantidad de infraestructura, la solución de los servicios de datos 3G es clara: "dejar sin tocar la red celular de voz principal GSM existente, añadiendo la funcionalidad adicional de datos celulares en paralelo con la red celular de voz existente"
Hay dos tipos de nodos en el
núcleo de la red 3G
Nodos de soporte GPRS
servidor (SGSN)
Es responsable de entregar los datagramas que viajan hacia/desde los nodos móviles de la red de acceso vía radio a la que el SGSN está conectado
Interactúa con el MSC de la red celular de voz correspondiente a dicha área, encargándose de la autorización del usuario y la cesión de llamada
Nodos de soporte GPRS
pasarela (GGSN)
Actúa como pasarela, conectando múltiples SGSN con internet
Es el último elemento de la infraestructura 3G con el que se encuentra un datagrama generado por un nodo móvil antes de entrar a internet
Controlador de red radio (RNC)
Suele controlar varias estaciones base celulares transceptoras, similares a las estaciones base que ya se han encontrado en los sistemas 2G
El enlace inalámbrico de cada celda opera entre los nodos móviles y una estación base transceptora, y el RNC se conecta tanto a la red celular de voz de conmutación de circuitos como a la red de internet de conmutación de paquetes
Sistemas de primera
generación (1G)
Eran sistemas FDMA analógicos, diseñados
exclusivamente para la comunicación únicamente
de voz
Están prácticamente extintos, y fueron
reemplazados por los sistemas 2G digitales
Tecnología 4G: LTE
Características de
la arquitectura
Una clara separación entre la red de
acceso vía radio y el núcleo de la red
completamente IP
Los datagramas IP que transportan los datos del usuario son reenviados entre el usuario y la pasarela a través de una red IP interna a 4G, hasta la red Internet externa
Una clara separación del plano de
datos 4G y el plano de control 4G
La red 4G separa claramente los planos de datos y de control
Una arquitectura de
red unificada, completamente IP
Tanto la voz como los datos son transportados en datagramas IP hacia/desde el dispositivo inalámbrico hasta la pasarela de paquetes que conecta la red de frontera 4G con el resto de la red
Componentes principales
Pasarela de servicios (S-GW)
Es el punto de anclaje de
movilidad del plano de datos
Todo el tráfico del usuario pasará a través del S-GW
Se encarga de las funciones de tarifación/facturación y de las intercepciones legalmente autorizadas del tráfico
Entidad de gestión de la
movilidad (MME)
Se encarga de la gestión de conexión y de movilidad por cuenta de los usuarios residentes en la celda que controla
Recibe información de abonado del usuario desde el HSS
Pasarela de red de datos
empaquetados (P-GW)
Asigna direcciones IP a los equipos UE y se encarga de imponer las garantías QoS. Lleva a cabo la encapsulación/desencapsulación de los datagramas
al reenviarlos hacia/desde un UE.
Servidor de abonado
doméstico (HSS)
Contiene información del usuario, incluyendo las capacidades de acceso itinerante, los perfiles de calidad de servicio e información de autenticación
eNodeB
Es el descendiente lógico de la
estación base 2G y del Controlador
de red de radio 3G
Su misión es reenviar los datagramas entre el usuario (a través de la red de acceso radio LTE) y el P-GW
Red de acceso
vía radio LTE
Usa en el canal de bajada una combinación de multiplexación por división de frecuencia y multiplexación por división de tiempo, conocida con el nombre de
multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM)
A cada nodo móvil activo se le asignan una o más particiones de tiempo de 0,5 milisegundos en una o más de las frecuencias del canal.
La reasignación de particiones entre nodos móviles puede realizarse cada milisegundo
GESTIÓN DE LA
MOVILIDAD
Existen diferentes dimensiones
de la movilidad
¿Hasta qué punto es importante que la
dirección del nodo móvil sea siempre la misma?
Dependerá en gran medida de las aplicaciones que se estén ejecutando
Si una entidad móvil es capaz de mantener su dirección IP a medida que se desplaza, la movilidad se convertirá en algo transparente desde el punto de vista de la aplicación
¿Qué infraestructura cableada de
soporte está disponible?
Las redes ad hoc permite que dos usuarios que se encuentran próximos entre sí establezcan una conexión de red en ausencia de cualquier otra infraestructura de la capa de red
¿Cómo de móvil es un usuario?
Movilidad media:
El usuario se mueve entre redes de acceso, desconectándose al moverse de una red a otra
Alta movilidad:
El usuario se mueve entre varias redes de acceso, manteniendo conexiones activas
Sin movilidad:
El usuario únicamente se mueve dentro de la misma red de acceso inalámbrica
Direccionamiento
Cuando un nodo móvil reside en una red ajena, todo el tráfico dirigido a la dirección permanente de dicho nodo ahora tendrá que ser enrutado hacia la red ajena
Una opción para hacer esto es que la red ajena anuncie a todas las demás redes que el nodo móvil está residiendo ahora en su red. Esto podría hacerse mediante el intercambio usual de información de
enrutamiento
entre dominios y dentro de los dominios y requeriría pocos cambios en la infraestructura de enrutamiento existente
Enrutamiento hacia un nodo móvil
Se pueden identificar
dos enfoques distintos
Enrutamiento indirecto
hacia un nodo móvil
Un corresponsal que desee enviar un datagrama a un nodo móvil, direcciona el datagrama con la dirección permanente del nodo móvil y lo envía a la red, ignorando si el nodo móvil reside en su red propia o está visitando una red ajena
La movilidad es completamente transparente para el corresponsal
Enrutamiento directo
hacia un nodo móvil
Elimina la ineficiencia del enrutamiento triangular, pero el precio que hay que pagar es una mayor complejidad
Un agente corresponsal situado en la red del corresponsal determina primero la COA del nodo móvil. Esto puede conseguirse haciendo que el agente corresponsal consulte al agente propio, suponiendo que el nodo móvil tiene registrado un valor actualizado de su COA ante el agente propio
IP MÓVIL
Son protocolos y arquitectura de Internet necesarios para dar soporte a la movilidad, y están definidos principalmente en RFC 5944 para IPv4
Es un estándar flexible, que soporta muchos modos distintos de operación, múltiples formas de que los agentes y los nodos móviles se descubran entre sí, utilización de direcciones COA únicas o múltiples y diversas formas de encapsulación
Consta de tres elementos principales
Registro ante el agente propio
IP móvil define los protocolos utilizados por el nodo móvil y/o el agente ajeno para registrar y desregistrar direcciones COA ante el agente propio de un nodo móvil
Enrutamiento indirecto de los datagramas
Define la forma en que el agente propio reenvía los datagramas hacia los nodos móviles, incluyendo reglas para el reenvío de datagramas, reglas para la gestión de las condiciones de error y diversas formas de encapsulación
Descubrimiento de agentes
IP móvil define los protocolos utilizados por un agente propio o ajeno para anunciar sus servicios a los nodos móviles, así como protocolos para que los nodos móviles soliciten los servicios de un agente ajeno o propio
GESTIÓN DE LA MOVILIDAD
EN REDES CELULARES
GSM adopta una técnica basada en el enrutamiento indirecto, enrutando primero la llamada del corresponsal hacia la red propia del usuario móvil y de allí a la red visitada
La red propia del usuario se denomina
red móvil terrestre pública propia (PLMN)
Es el proveedor de telefonía celular con el que está abonado el usuario móvil
Mantiene una base de datos conocida como
registro de ubicaciones propias (HLR)
que contiene el número de teléfono celular permanente y la información del perfil de abonado para cada uno de sus abonados. También contiene información acerca de las ubicaciones actuales de los abonados
Un conmutador especial conocido como
centro de conmutación pasarela para servicios móviles (GMSC)
es contactado por el corresponsal cada vez que realiza una llamada a un usuario móvil
La
PLMN visitada
es la red en
la que reside actualmente el usuario móvil
Mantiene una base de datos conocida como
registro de ubicación de visitantes (VLR)
que contiene una entrada para cada usuario móvil que se encuentre actualmente en la parte de la red a la que da servicio VLR
La base de datos
VLR
normalmente está co-ubicada con el centro de conmutación móvil (
MSC
) que coordina el establecimiento de llamadas hacia y desde la red visitada
Enrutamiento de llamadas
hacia un usuario móvil
Pasos
El MSC propio recibe la llamada e interroga a HLR para determinar la ubicación del usuario móvil. HLR devuelve el
número de itinerancia de la estación móvil (MSRN)
Conocido el número de itinerancia, el MSC propio establece el segundo tramo de la llamada a través de la red hasta el MSC de la red visitada. Con ello, la llamada se habrá completado, produciéndose el enrutamiento desde el corresponsal hasta el MSC propio, de este al MSC visitado y de ahí a la estación base que da servicio al usuario móvil
El corresponsal marca el número telefónico del usuario móvil. La llamada será enrutada desde el corresponsal, a través de la red telefónica conmutada pública (PSTN), hasta el MSC propio de la red propia del móvil
Transferencia de
llamadas en GSM
Pasos cuando una estación
base decide transferir un usuario móvil
La nueva estación base envía de vuelta al MSC visitado y a la estación base antigua una señal indicativa de que se ha establecido la ruta entre el MSC visitado y la nueva estación base
El móvil es informado de que se debe realizar una transferencia
La nueva estación base asigna y activa un nuevo canal de radio para que lo utilice el móvil
El móvil y la nueva estación base intercambian uno o más mensajes para activar completamente el nuevo canal en la estación base nueva
El MSC visitado inicia las operaciones de establecimiento de la ruta hacia la nueva estación base
El móvil envía a la nueva estación base un mensaje indicando que se ha completado la transferencia, el cual es reenviado hacia el MSC visitado. Entonces, el MSC visitado re-enruta la llamada activa hacia el móvil a través de la nueva estación base
La estación base antigua informa al MSC visitado de que hay que realizar una transferencia, así como de la estación base a la que hay que transferir el móvil
Por último, se liberan los recursos asignados en la ruta que llevaba hacia la antigua estación base
Autor:
Fabian Alejandro Cristancho Rincón