WiFi

El Wi-Fi (Wireless Fidelity) es el estándar creado por el IEEE para las Redes de Acceso Local Inalámbrico (WLAN) donde se especifica la sub-capa física (PHY) y de acceso al medio (MAC) de una red local de acceso con conexión inalámbrica.

Sus principales aplicaciones, son los hot-spots (hoteles, aeropuertos, estaciones de servicio, centros de convenciones y comerciales, pueblos, etc.), en los que se ofrece acceso a Internet, en muchos casos, de forma gratuita1. También es ampliamente utilizado en el entorno empresarial y residencial para la construcción de redes de área local inalámbricas. Otra de las aplicaciones de WiFi es la sustitución de las redes de telefonía celular en aquellas áreas donde tiene la cobertura. Sin embargo, este tipo de desarrollos cuenta con numerosas dificultades en ámbitos como la seguridad en las comunicaciones, el control de tráfico o el roaming.

Arquitectura del estándar Wi-Fi IEEE 802.11

La arquitectura del IEEE 802.11 está formada por una serie de elementos que interaccionan para proveer movilidad a las estaciones en una red local de acceso, que sea transparente a las capas superiores. El elemento básico de las redes de acceso definido en el estándar es la estación (STA en el estándar), definida como cualquier elemento que contenga una capa de Control de Acceso al Medio (MAC) y una capa Física (PHY) acorde con lo definido en el estándar. Las estaciones pueden ser móviles, portátiles o estacionarias. En las LANs inalámbricas basadas en el IEEE 802.11 se pueden diferenciar dos tipos de elementos habituales, la estación wireless o tarjeta de red inalámbrica (llamada NIC o simplemente STA) y el punto de acceso (AP en sus siglas en inglés –Access Point). Los dos elementos son STAs en la estricta definición del término, pero el AP es un dispositivo con funcionalidad añadida ya que incluye una interfaz de red adicional normalmente conectada con una red de cable como Ethernet.

El elemento básico de una LAN basada en Wi-Fi es el Basic Service Set(BSS). La distancia de comunicación directa entre dos estaciones viene limitada por las capacidades de los distintos PHY definidos en el estándar. Para extender la distancia de cobertura de una red inalámbrica, las BSS, en lugar de ser unidades independientes, se pueden incluir dentro de una unidad mayor llamada Extended Service Set(ESS) .
El estándar define, por otro lado, una serie de servicios que se tienen que proveer en cualquier implementación del mismo: servicios de authentication, de-authentication, privacy y MSDU (MAC Service Data Unit) delivery, association, reassociation, disassociation, distribution e integration.

Modulación

Las modulaciones que se utilizan son DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) y DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) para velocidades de transmisión de 1 y 2 Mbps respectivamente.
La técnica DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) utilizada por las redes WiFi usa una secuencia chip de 11 bits llamada secuencia Barker para ensanchar el espectro en 11 veces con la consecuente reducción de potencia RF. Todas las estaciones en una red 802.11 usan la misma secuencia de 11 bits. En el transmisor una función EX-OR combina la trama con la secuencia Barker para que cada bit de la trama se combine con la secuencia de 11 bits. En el receptor la señal DSSS se convoluciona con la secuencia Barker y se correla para recuperar la trama y evitar las interferencias.

Canales WiFi

Cada canal ocupa 22 MHz de ancho de banda y la forma espectral de los canales se representa por una función sinc(X). La máscara de transmisión del canal DS, en el estándar IEEE 802.11, especifica que en recepción los primeros productos de intermodulación deben ser filtrados a -30dBr y el resto de productos a -50dBr. Esto solamente permite tres canales no interferentes espaciados 25MHz en la banda de 2.4GHz (ver en la siguiente figura), a pesar de que se definen 14 canales de operación en esa banda.

En los productos comerciales actuales, la potencia nominal de transmisión es 100mW.

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Evolución de los estándares de la familia IEEE 802.11 WiFi

En junio de 1997 se presentó el estándar para redes inalámbricas al que se denominó IEEE 802.11, que especificaba una frecuencia de operación de 2,4 GHz con niveles de transmisión de datos de 1 a 2 Mbps. A finales de 1999 apareció la versión 802.11b y, entre otras, una de sus mejoras pasa por la compatibilidad con otros sistemas inalámbricos, con una velocidad que llega a los 11 Mbps en 2,4 GHz contando con nuevas técnicas de modulación que aprovechan de manera más eficiente el espectro. Esta versión resultó más difundida que la anterior y es el soporte para la certificación Wi-Fi. Este estándar utiliza la técnica DSSS y entre sus características, destaca el uso de la modulación QPSK y de la codificación CCK (Complementary Code Keying).

El estándar 802.11a apareció al mismo tiempo que el 802.11b y conlleva una mejora en la velocidad de transmisión ya que puede llegar a los 54 Mbps en una banda UNII a 5GHz y minimiza el ruido causado por las interferencias que rebotan en las paredes gracias a usar una multiplexación OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), con el inconveniente de utilizar una frecuencia distinta a la de 2.4 GHz, que es de uso común (y por tanto no requiere licencia), aunque beneficiándose de que en 5 GHz las interferencias son menores. Este protocolo utiliza distintos esquemas de modulación, como son el BPSK, QPSK, 16-QAM y 64-QAM y supera claramente en velocidad de transmisión al 802.11b. Entre sus inconvenientes resalta el bajo rango de cobertura, la localización de frecuencia de 5 GHz que no está asignada en todos los países y la ausencia de mecanismos que garanticen un grado de servicio.

El estándar 802.11g es otra extensión importante de 802.11b, que adopta ventajas de los dos protocolos comentados. Utiliza la banda de 2.4 GHz y una multiplexación OFDM y puede llegar hasta los 54 Mbps de su antecesor 802.11a. Uno de sus puntos fuertes es la compatibilidad de sus equipos con los del ya expandido protocolo 802.11b.

La versión IEEE802.11d es una evolución mejorada del 802.11b aunque en distinta frecuencia. Éste constituye un complemento al nivel de control de Acceso al Medio (MAC) en 802.11 para proporcionar el uso, a escala mundial, de las redes WLAN del estándar 802.11. Son ella se permite a los puntos de acceso comunicar información sobre los canales de radio admisibles con niveles de potencia aceptables para los dispositivos de los usuarios.

Por su parte, el IEEE 802.11e es un protocolo destinado al aumento de seguridad y grado de servicio. Se puede aplicar sobre los estándares físicos a, b y g de 802.11. La finalidad es proporcionar claves de servicio con niveles gestionados de QoS para aplicaciones de datos, voz, video y videoconferencia. La extensión IEEE 802.11e introduce dos nuevos métodos de acceso, el HCF (Hybrid Coordination Function) y una extensión al DCF actual llamado EDCF (Enhanced DCF) para soportar opciones de calidad de servicio en los sistemas comerciales.

El 802.11f pretende añadir un hand-over en el que se puedan conectar distintas redes de telecomunicación mediante el protocolo 802.11. Su objetivo es lograr la interoperabilidad de puntos de acceso (AP) dentro de una red WLAN mutiproveedor. El estándar define el registro e puntos de acceso (AP) dentro de una red y el intercambio de información entre dichos puntos de acceso cuando un usuario se traslada desde un punto de acceso a otro.

El protocolo 802.11h busca regular la transmisión de la potencia y la selección de los canales a fin de que el 802.11a por los reguladores europeos2 ya que los reglamentos para la banda de 5 GHz indican que los productos deben tener un control de la potencia de transmisión (TPC3) y selección de frecuencia dinámica (DFS<ref>DFS selecciona el canal de radio en el punto de acceso para reducir al mínimo la interferencia con otros sistemas en particular el radar.
</ref>).

El 802.11i es otro proyecto con el que se pretende mejorar la seguridad, punto débil del estándar 802.11, basado en el algoritmo WEP con nuevos métodos de encriptación y procedimientos de autentificación.

El 802.11j trabaja en la fusión del 802.11a e Hyperlan2 con el fin de obtener lo mejor de los dos. Es una extensión de la regulación en Japón para permitir el uso del 802.11a en Japón.

El 802.11k es el encargado del estudio de medir los recursos de radio, como por ejemplo qué datos recoger y cómo hacerlo.
El 802.11c desarrolla novedades diseñadas para mejorar los puntos de acceso.
El 802.11m es el encargado de supervisar y mantener todos los otros protocolos así como sus publicaciones.
Finalmente, el 802.11n es la nueva generación, donde se prevé una velocidad de hasta 100 Mbps y se busca una modificación del acceso a las capas tanto física como de control.

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<small>De conformidad con el UN-128 la banda de 5725-5875 MHz no es para Redes de Area Local, RLAN, sino para dispositivos de corto alcance confermes a la UN-130. Véase la Resolución de la CMT de 4 de Diciembre de 2008 por la que se da contestación a la consulta formulada por el Ayuntamiento de Conil de la Frontera </small>

Atribución de frecuencias del estándar IEEE 802.11 WiFi

A nivel mundial, la frecuencia más usada y popular para el estándar WiFi es la de 2.4 Ghz. Dicha frecuencia es de uso común en prácticamente todos los países, ya que se trata de una frecuencia reservada para la investigación, educación o sanidad. De cualquier forma, la frecuencias de uso común varían de región en región y de país en país4.
Específicamente, en Europa, las frecuencias asignadas a la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical band) están alrededor de los 2,4 GHz.5.

La atribución de frecuencias y el uso de la banda ISM en España están regulados por el Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias (CNAF) y más concretamente por la banda de 2,4 GHz por la UN-85.6.

En Estados Unidos la FCC (Federal Communications Commission) asigna las frecuencias de la banda ISM por canales. Los dispositivos comerciales, generalmente, funcionan de acuerdo a estos canales pre-asignados.

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