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Estándares de Comunicaciones Inalámbricas

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Objetivo

Presentar una breve reseña a los actuales estándares de comunicación inalámbrica.

El alumno deberá aprenderá sus principales características y los casos de uso de cada una de ellas.

Al finalizar esta unidad el alumno deberá poder analizar un caso de uso específico y poder generar un diagnóstico preciso sobre el tipo de enlace más recomendado y una lista de acciones relacionadas a maximizar su aprovechamiento y mitigar cualquier problemática relacionada.

Introducción

1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

3GHz

30GHz

300GHz

3MHz

30MHz

300MHz

3THz

UH

FV

HF

HF

SH

FE

HF

Infr

are

d

Radio de onda corta

TV Blanco y Negro

Radio Banda Civil

Radio FM

TV a color

Experimentación Comunicaciones

Satelitales

Enlaces Microondas

Comunicación vía Satélite

WiFi

Telefonía Celular

Telefonía inalámbrica

Infrared Wireless

LAN

Comunicaciones Satelitales

Ópticas

WiMAX

Ultra-Wideband

ZigBee

100 últimos años

Introducción

1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

3GHz

30GHz

300GHz

3MHz

30MHz

300MHz

3THz

UH

FV

HF

HF

SH

FE

HF

Infr

are

d

Radio de onda corta

TV Blanco y Negro

Radio Banda Civil

Radio FM

TV a color

Experimentación Comunicaciones

Satelitales

Enlaces Microondas

Comunicación vía Satélite

WiFi

Telefonía Celular

Telefonía inalámbrica

Infrared Wireless

LAN

Comunicaciones Satelitales

Ópticas

WiMAX

Ultra-Wideband

ZigBeeMayor Frecuencia

100 últimos años

Proyecciones de consumo de datosIntroducción

Source: Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2011–2016

Proyecciones de consumo de datosIntroducción

Source: Cisco Networking : Mobile Wireless Spectrum and Growth in Traffic, 1993–2016

Celular / Bluetooth Red WiFi Servicio de radio

Introducción

Tipos de comunicación inalámbrica

Introducción

Servicios de comunicación inalámbrica

Banda del espectroIntroducción

Banda del espectro

Cada país regula el uso de su espectro y puede determinar el uso compartido o exclusivo de cualquier banda específica.

● Espectro dedicado al servicio u operador : En esta designación una parte del espectro es concesionada a un operador para uso y explotación exclusiva (e.g. telefonía celular).

● Espectro compartido entre múltiples operadores : Una parte del espectro es designado para un uso específico pero sin concecionarlo a algún operador específico (e.g. banda civil).

● Espectro Libre. Son bandas del espectro reservadas para ser usadas por múltiples de servicios simultáneamente (e.g. bandas ISM, las cuales son usadas por protocolos de WiFi, Bluetooth, RC, etc. así como también por hornos de microondas).

Introducción

Banda del espectro● Banda Libres para aplicaciones ISM «Industrial, Scientific &

Medical»

Introducción

Bajo Ancho de Banda,usado también por celulares

y teléfonos inalámbricosEs una de las bandas

relativamente más libres

Es una banda que tiende asaturarse

125MHz

WLANWLAN

WLAN'sWLAN's DatosDatos

Clasificación

Redes Inalámbricas Establecidas

WMAN'sWMAN's

Voz

GPRSGPRS

CDPDCDPD

1G1G

VozVoz

2G2G

4G4GWiMAXIEEE 802.16

WiMAXIEEE 802.16

WLL(Última Milla)

Voz/Datos

WLL(Última Milla)

Voz/Datos

Datos

BluetoothIEEE 802.15.1

BluetoothIEEE 802.15.1

IrDAIrDA

WPAN'sWPAN's

WiFiIEEE 802.11

WiFiIEEE 802.11

HiperLAN2HiperLAN2

WWAN'sWWAN's

Redes Móviles e InalámbricasRedes Móviles e Inalámbricas

W-MeshW-Mesh

ZigbeeIEEE

802.15.4

ZigbeeIEEE

802.15.4

Análisis ● Para ejemplificar las distintas arquitecturas revisaremos 3 casos de uso en aplicaciones de monitoreo y control.

Arquitecturas de comunicación

Redes de Monitoreo Control Remoto Sistemas en Línea

Redes de Monitoreo ● También conocidas como redes de sensores, permiten transmitir cantidades limitadas de información en entornos SIN INFRAESTRUCTURA, en conexiones tipo punto-a-punto o de tipo multipunto. Aplicaciones en:

● Oceanografía e Hidrología.

● Supervisión de Bio-sistemas

● Monitoreo Forestal y Agropecuario

● Sistemas de iluminación/energía

● Telemetría de variables ambientales

● Lejano, lento, disperso, cambiante, prescindible o autónomo.


Redes de Monitoreo ● La cantidad de información enviada es limitada (texto-ascii).

● Su período de transmisión puede variar en minutos, horas e incluso días, por lo que la velocidad de transmisión es baja.

● El alcance puede variar de algunos metros a algunos Km.

● Propagación de mensajes a través de nodos.

● Conexiones de relativo bajo costo.

● Se puede prescindir de algunos nodos.

● Permite múltiples rutas de enlace.

● Alimentación con AC o baterías.


Redes de Monitoreo ● Generalmente la información es pública y de libre acceso pero en caso de ser necesario se puede incluir esquemas de seguridad y encriptación de mensajes.

● El desvanecimiento a gran escala (distancia) es la principal perturbación para estos enlaces ya que generalmente se les utiliza en exteriores.

● Los nodos podrían cambiar de posición.

● Su Topología puede re-configurarse

● Routing Nodes son el enlace hacia y desde la red (Access Point).


Redes de Monitoreo ● Iluminación inteligente – Red Pública

● Red integrada de luminarias y sensores

● Control de área mediante Routing Nodes (Access Points)


Redes de Monitoreo ● Zigbee

– Protocolo inalámbrico para redes – Aplicable en

• Personal Area Networks (PAN’s) • Device-to-device networks

– Protocolo IEE 802.15.4– Bajo Consumo– Tres topologías distintas:

• Estrella• Árbol• Redes genéricas en malla

– Pocos componentes para su fabricación– Hasta 64000 nodos– Seguridad con claves de 128 bits– Necesidad de al menos un coordinador en toda red



– Operación en las Bandas ISM• 2.4GHz Banda Global a 250kbps• 868 MHz Europa a 20kbps• 915 MHz Norte América a 40kbps


Control Remoto● Tráfico intensivo de información, Conexión punto-a-punto con o sin infraestructura.

● Algunos campos de uso :

● Sistemas de supervisión

● Industria Minería y aeroespacial

● Enlaces de control dedicados

● Publicidad, deportes y multimedia

● Nuevas tecnologías

● Necesidad de lejanía (seguridad del personal), respuesta rápida y puntual, sistemas móviles, operación temporal.


Control Remoto● La cantidad de información puede ser muy alta (audio y video) por lo que la velocidad de transmisión es alta.

● Sensible a interferencias o fallos. En caso de perder el enlace las consecuencias pueden ser catastróficas.

● Mínimo período de transmisión (fracciones de segundo), la latencia puede ser crítica.

● Alcance muy variable (de algunos metros a miles de kilómetros de distancia)

● Dependiendo del tipo de enlace los costos pueden ser altos.

● Fuente de interferencias variables (Ambientes de uso)


Control Remoto● Operación en tiempo real (Soft Real Time)


Control Remoto● Operación en tiempo real (Hard Real Time)


Control Remoto● La información es restringida y la conexión radial debe incluir codificación y encriptación de datos.

● Degradación de la señal muy variable. Un amplio espectro de escenarios son posibles (atenuación, difracción reflexión, dispersión, etc ).

● La principal preocupación es la pérdida del enlace ya sea debido a «sombras» por obstáculos o interferencias radiales.

● Se debe coordinar el uso del espectro de frecuencias.

● Necesidad de sistemas de modulación redundantes (modulación de espectro disperso).


Control Remoto● Los sistema de automatización inalámbrica generalmente combinan tecnologías de espectro disperso (e.g. FHSS) con esquemas de multiplexación de señal. (e.g. TDMA) para asegurar la transferencia confiable de datos dentro de bandas como la de sin licencia Industrial, Científico y Médico (ISM).

● Los transreceptores proporcionan una comunicación bidireccional entre la central o Gateway y el Nodo remoto, incluyendo datos de «handsaking» y de diagnóstico.


Control Remoto● Sistemas de bajo costo (FPV de RC). Disponibilidad de transmisores con alcances ≥ 3000 m. (FY602 UHF datalink).● Transmission power: 500mW,● Receiving sensitivity: -123dbm,● Receiving current < 45mA,● Transmission current < 360mA, Sleeping current

<1mA.● Carrier frequency of 433MHz or 915MHz.● GFSK modulation ● BER=10-3/1200bp > 3000m ● BER=10-3/9600bps when the antenna height is

greater than 3m.● 16 channels (402-470MHz) with baud rates from

1200bps to 38400bps.


Control Remoto● Sistemas de bajo costo de RC, Sub-GHz, o Bluetooth


Control Remoto● Para enlaces muy distantes o con desvanecimiento por sombras se pueden emplear re-transmisores para propagar las señales de control ( Implica > Latencia).


Sistemas en Línea (Online)● Conexión punto-a-punto que aprovecha Infraestructura existente (~ Wifi) para enlazar algún sistema o dispositivo a alguna terminal remota o directamente a la nube.

● Algunos campos de uso :

● Monitoreo y supervisión de sistemas

● Recolección de datos

● Mantenimiento, Producción «just-in-time»

● Aprovechamiento de la información.

● Transformación de sist. Industriales/comerciales a IoT/M2M, perfiles de uso/desempeño, sistemas fijos, operación 24/7.


Sistemas en Línea ● La cantidad de información MEDIA; ya sean alarmas o notificaciones, hasta el monitoreo en línea. Su período de transmisión puede ser muy variable: a intervalos regulares o por eventos. Su velocidad de transmisión es media o baja.

● El alcance lo determina la red de infraestructura sobre la que se apoya (WiFi: hasta 300 m.).

● Direccionamiento a través de IP

● Nodos comerciales de bajo costo.

● Alimentación a la red eléctrica.

● Tecnología madura y con mucho soporte.


Sistemas en Línea ● La información puede ser pública pero generalmente se considera sensible y privada. Se incluyen esquemas de seguridad y encriptación (AES, SSH, RC4, 3DES, etc. ).

● Los sistemas se ubican en entornos urbanos o industriales, la saturación de la infraestructura o las interferencias por Multi-trayectorias son el principal problema.

● Nodos semi-fijos (entorno de RF estable).

● Stack de software definido.

● Operación: SOFT Real-Time

● Manejo de la información a alto nivel


Sistemas en Línea ● WiFi (Wireless Fidelity)


Sistemas en Línea Network Std IEEE 802.11b IEEE 802.11g IEEE 802.11a

Metodo de Acceso CSMA/CA CSMA/CA CSMA/CA

Modulacion CCK (8 complex chip spreading)

64-QAM-OFDM16-QAM-OFDMQPSK-OFDMBPSK-OFDM

64-QAM-OFDM16-QAM-OFDMQPSK-OFDMBPSK-OFDM

Data Rate 1, 2, 5.5, 11 Mbps 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps

2.4 – 2.4835 GHz 2.4 – 2.4835 GHz 5.150 – 5.2505.25 0– 5.3505.725 – 5.825 GHz

Channelization 25/30 MHz spacing3 Channels

25/30 MHz spacing3 Channels

20 MHz spacing8 canales


Definición

Las redes inalámbricas establecidas que utilizan radiofrecuencia pueden clasificarse atendiendo a varios factores:

• Por su capa física,

• Por estar en bandas de frecuencia dedicada

• Por ser sistemas basados en espectro disperso o extendido (e.g.: IEEE 802.11).

Estándares de Redes Inalámbricas

WiFi


● Wireless Fidelity● Comienza su desarrollo desde 1997 con el estándar IEEE 802.11

● En continua evolución para obtener mayor velocidad, seguridad, QoS y movilidad.

● Wireless LANs satisface movilidad, relocacion y los requerimientos de «ad hoc networking»


WiFi

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Modelo OSI

Open Systems Interconnection model

Sistemas en Línea ● WiFi

Componentes y tipos de datos

● Wireless Fidelity


WiFi

● Wireless Fidelity

● IEEE 802.11.b - 11 (6) Mbps DSSS - 2.4 GHz

● IEEE 802.11.a - 54 (30) Mbps OFDM - 5.8 GHz

● IEEE 802.11.g - 54 (30) Mbps OFDM - 2.4 GHz

● IEEE 802.11.n - 100 Mbps a 600 Mbps usando MIMO (multiple input multiple output antennas).

● IEEE 802.11.ac - 1 Gbps (2015?)


WiFi


WiFi

WiFi : Configuraciones Típicas● Consiste de al menos un Access Point (AP)

筆記型電腦筆記型電腦

手提電腦

AP

BackBone● Basic Service Set (BSS) : Un

Access Point provee la función de un puente( bridge) local para el BSS. Todas las estaciones se comunican con con el AP y no directamente entre ellas .

● Las tramas son retransmitidas entre las estaciones Wi-Fi por el Access Point.


WiFi : Configuraciones Típicas

● Extended Service Set (ESS) : Un ESS es un conjunto de BSS's, donde los Access Points se comunican entre ellos para re-transmitir el tráfico desde una BSS a otra. Facilidad de movimiento de una estación de Wi-Fi a otra.

筆記型電腦筆記型電腦

手提電腦

AP

BackBone

AP

筆記型電腦

膝上型電腦

iBook



● Ad Hoc : Las estaciones inalámbricas se comunican directamente entre sí. Cada estación puede no ser capaz de comunicarse con alguna otra estación debido a las limitaciones de alcance (utilizando el wireless routing protocol).



● Sui generis : Mediante antenas con ganancias mayores a la permitida por la norma, amplificadores y torres se crea una infraestructura propia. Usada principalmente en zonas suburbanas y rurales.


WiFi : Capa Física IEEE 802.11● Por conexión Infrarroja ( histórico ): Sólo factible en distancias

muy cortas y en la misma habitación

● Por Radiofrecuencia:

● Espectro expandido por salto de frecuencia FHSS (Frequency Hoping Spread Spectrum). Sistema de bajo rendimiento, muy poco utilizado actualmente.

● Espectro expandido por secuencia directa DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum).

● Multiplexacion por división de Frecuencia Ortogonal OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).


WiFi : Capa Física IEEE 802.11● Dos características de Robustez en el estándar IEEE

802.11 capa MAC

● Comprobación de redundancia cíclica (CRC). Se calcula y adjunta una trama CRC a cada paquete de datos para garantizar al receptor que los datos no han sido modificados durante su tránsito por la red.

● Fragmentación de paquetes. Grandes paquetes de datos se dividen en pequeños trozos para ser transmitidos. Del lado del receptor se re-ensamblarán los fragmentos.

● Reduce la necesidad de retransmisión

● RTX de fragmentos pequeños = más rápido.


WiFi : Trama de datos


WiFi : Esquemas de Seguridad● Utilización de protocolos de cifrado de datos para los estándares Wi-Fi

como el WEP y el WPA, encargados de la codificación de la información transmitida para proteger su confidencialidad.

● IPSEC (túneles IP), VPN y el conjunto de estándares IEEE 802.1X, permiten la autentificación y autorización de acceso a usuarios.

● Filtrado de MAC, sólo se permite acceso a los dispositivos autorizados.

● Ocultación del punto de acceso(SSID): punto de acceso (Router) invisible a otros usuarios.

● El protocolo de seguridad WPA2 (estándar 802.11i). En principio es el protocolo de seguridad más seguro para Wi-Fi en este momento. Sin embargo requieren hardware y software compatibles.

● No existe ninguna alternativa fiable 100%, todas se pueden burlar.


WiFi : Tipos de Antenas● El tipo de la antena: el tipo de la antena determina su patrón de

radiación. Tres tipos:

● Omnidireccional

● Bidireccional

● Unidireccional

● La Ganancia de la antena: Cociente entre la intensidad de campo producida por la antena y la intensidad de campo que produciría en el mismo punto un radiador isotópico que absorbiera del emisor la misma potencia de RF. También puede interpretarse como el grado al cual realza la señal en su dirección preferida. La ganancia de la antena se mide en el dBi, Las antenas externas simples tienen ganancias de 3 a 7 dBi. Las antenas direccionales pueden llegar hasta 27 dBi.


WiFi : Tipos de Antenas - Aperturas● El haz emitido o recibido por una antena tiene determinadas aperturas,

una vertical y otra apertura horizontal.

● Apertura horizontal:

● Una antena omnidireccional trabajará horizontalmente en todas direcciones, su apertura será de 360º.

● Una antena direccional oscilará entre los 4º y los 40º.

● Una antena sectorial oscilará entre los 90º y los 180º.

● Apertura vertical: Se debe considerar si el desnivel entre Tx y Rx es importante, para en su caso aumentar la apertura vertical. Por lo general las antenas a mayor ganancia tendrán menor apertura vertical.

● Las antenas direccionales suelen tener las mismas aperturas verticales y horizontales.


WiFi : Antena - Unidireccional● Orientan la señal en una dirección muy

coherente con un haz estrecho pero de largo alcance.

● Las antenas direccionales concentran la energía en un haz concreto y estrecho lo que permite tener un mayor alcance a igual potencia de salida.

● La información o señal se envía a una cierta zona de cobertura con un ángulo de apertura especificado.

● Fuera de la zona de cobertura prácticamente no se propaga la señal por lo que no se puede establecer la comunicación entre interlocutores fuera de esa zona.


WiFi : Antena - Omnidireccional● Orientan la señal en todas direcciones con un

haz amplio pero de corto alcance.

● Envían la información en un radio de 360 grados

● Alcance menor que el de las antenas direccionales.

● El alcance estará determinado por una combinación de la ganancia de la antena (dBi), la potencia de emisión del Transmisor y la sensibilidad de recepción del dispositivo receptor.

● A misma potencia, una antena sectorial o direccional dará mejor cobertura (mayor ganancia) que una omnidireccional.


WiFi : Antena - Sectorial● Estas antenas son una mezcla de antenas

direccionales y omnidireccionales. Emiten un haz más amplio que una direccional pero menor que una omnidireccional. El alcance es mayor en una sectorial que en una omnidireccional pero menor que en una direccional.

● Para tener una cobertura de 360º (similar una antena omnidireccional) y un largo alcance (como una antena direccional) deberemos instalar tres antenas sectoriales de 120º ó 4 antenas sectoriales de 90º.

● Las antenas sectoriales suelen ser más costosas que las antenas direccionales u omnidireccionales.


WiFi : ¿Que tipo de antena instalar?● Las antenas direccionales se emplean como union de

dos puntos a largas distancias.

● Las antenas omnidireccionales se suelen utilizar para dar, de manera sencilla, cobertura en todas direcciones.

● Las antenas sectoriales se utilizan cuando se necesita un balance entre los 2 puntos anteriores, i.e.:

● Llegar a largas distancias y

● Cubrir un área extensa.


WiFi : ¿Que tipo de antena instalar?● Si se desea la cobertura de red inalámbrica en

toda un área próxima (una planta de un edificio o un parque por ejemplo) una antena omnidireccional puede ser la mejor opción.

● Cobertura de red inalámbrica en un punto muy concreto (por ejemplo un PC que está bastante lejos) se recomienda una antena direccional.

● Si necesita dar cobertura amplia y a la vez a larga distancia, utilizará entonces antenas sectoriales.


WiFi : Condición de linea de vista para un enlace exitoso.


WiMAX : IEEE 802.16● WiMAX «Worldwide Interoperability

for Microwave Access» o Interoperabilidad mundial de acceso por microondas

● Alternativa wireless al acceso de banda ancha DSL o cable, y una forma de conectar nodos Wifi en una red de área metropolitana (MAN)

● Creado por un consorcio de empresas (>100)

● Radio de acción de 50 km

Redes Inalámbricas

WiMAX : IEEE 802.16

Redes Inalámbricas

WiMAX : IEEE 802.16● En el año 1998 la IEEE designó un grupo de trabajo que

desarrollara un estándar para interconectar de manera inalámbrica las áreas metropolitanas.

● En el año 2001 fue concluido el estándar 802.16 que definía la especificación de la Interface Aire para las redes inalámbricas de área metropolitana WMAN.

● El IEEE 802.16 anunció el acceso inalámbrico de Banda Ancha como una herramienta para conectar hogares y negocios a través de la infraestructura de redes instaladas de telecomunicaciones mundiales.

Redes Inalámbricas

WiMAX : IEEE 802.16● La primera versión del estándar P802.16 lanzada en

2002 tenía como principales características:

● Trabajar en las bandas de Frecuencia 10-66GHz, con tasas de transmisión de datos > 120Mbps.

● Necesidad de LOS con la Radio Base; las MPC's o perturbaciones multitrayectorias son insignificantes.

● Entorno adaptado a dar servicio a las aplicaciones Point-Multipont desde pequeñas oficinas y hogares.

● Define una Interface aire : WirelessMAN-SC.

Redes Inalámbricas

WiMAX : IEEE 802.16● En 2003 se lanza la segunda versión conocida como

P802.16a y entre sus principales características están:

● Utilización de una banda de frecuencia más baja y estrecha 2-11Ghz.

● Soporte de escenarios con o sin LOS. ( > MPC's)

● La red está conformada por múltiples estaciones base (BS) transmisoras/receptoras. Las BS pueden dar servicio hasta 200 estaciones suscriptoras (SS)

● Requiere el soporte de técnicas avanzadas de administración de energía.

Redes Inalámbricas

WiMAX : IEEE 802.16● Posteriormente es lanzada la segunda revisión conocida

como P802.16b en el año 2004:

● Opera en la banda libre de los 5-6Ghz.

● Fue denominada “WirelessHUMANTM (Wireless High-Speed Unlicensed Metropolitan) Area Network

● La naturaleza de estas bandas introducen interferencia adicional y problemas de coexistencia. Se introducen regulaciones para limitar la potencia irradiada.

● Se introducen mecanismos en la capa física y MAC como la selección dinámica de frecuencia (DFS).

Redes Inalámbricas

WiMAX : IEEE 802.16● Para generar el área de cobertura se necesitan menos

radio bases (BS) y a costos relativamente bajos en comparación con las redes ADSL o de Cable por Fibra.

● Se requiere un sencillo control central de las claves para garantizar el acceso a la red a los subscriptores.

● El esquema permite que el abonado tenga conexión inmediata y sin gasto adicional, en cualquier punto del país cubierto por WiMax, sea su domicilio habitual, su segunda vivienda, o durante sus desplazamientos de trabajo y ocio.

Redes Inalámbricas

WiMAX : IEEE 802.16

Redes Inalámbricas

BLUETOOTH : Características● Es el nombre de un estándar basado en sistemas

de radio de corto alcance enfocados a sustituir diversas conexiones alámbricas entre dispositivos.

● El estándar define una estructura uniforme para comunicar un amplia gama de dispositivos heterogéneos con un mínimo esfuerzo.


BLUETOOTH : Características● Sus principales características son: una baja

complejidad, una gran robustez, muy bajo consumo y bajo costo.


● No requiere configuración.

● Amplio soporte por la industria

● Velocidades de hasta 1Mbps

● Aplicaciones: "USB sin cables" (Sincronización de datos y conexión a internet)

BLUETOOTH : Características● La especificación define 3 clases de enlaces de

acuerdo a la Potencia de transmisión:

● Clase 1 = 100 mW

● Clase 2 = 2.5 mW

● Clase 3 = 1 mW

● Lo anterior permite alcances de hasta 100m para la clase 1, o de alrededor de 10m para la clase 3.


BLUETOOTH : Características


● La principal ventaja de Bluetooth es su capacidad de manejar transferencias tanto de datos como de voz/audio.

● Actualmente conecta a miles de dispositivos móviles con poco o ningún esfuerzo por parte del usuario.

BLUETOOTH : Características● El protocolo Bluetooth opera en la banda ISM de

2.4GHz usando 79 canales entre 2.402GHz y 2.480GHz ( 23 canales en algunos países).

● El alcance de 10 metros se obtiene usando una potencia de 0dBm (1mW), mientras que para 100 metros se requiere una potencia de 20dBm.

● El estándar define dos configuraciones básicas:

● Conexión síncrona orientada (SCO)

● Enlace asíncrono sin conexión (ACL)


BLUETOOTH : Características● Conexión síncrona orientada (SCO) : Enlaces

Punto a Punto entre Maestro y esclavo usados para transportar voz y/o datos en tiempo real. El enlace se establece reservando «slots» en cada dirección de manera periódica. Se utiliza para transportar el tráfico en tiempo real (voz).

● Enlace asíncrono sin conexión (ACL) : Enlaces Punto-Multipunto exclusivamente de datos, los que son definidos y agendados por el maestro. Utiliza los «slots» sobrantes del canal.


BLUETOOTH : Características● La tasa de transferencia bruta es de 1 Mbps

mientras que la tasa efectiva máxima para conexiones asíncronas (ACL) es de 721 Kbps en cualquier dirección y 57.6 Kbps en la dirección de retorno o respuesta. Una conexión ACL simétrica puede alcanzar tasas de 432.6 Kbps.

● En cuanto a las conexiones síncronas (SCO), el estándar Bluetooth garantiza un ancho de banda de 64 Kbps para 3 canales por dispositivo.


BLUETOOTH : Características● Bluetooth utiliza una modulación de salto de

frecuencias o FHSS : Frequency Hop Spread Spectrum para evitar las interferencias.

● Cada canal de Bluetooth se divide temporalmente en «time slots» de 625µs de longitud. Cada dispositivo cambia su frecuencia (79 canales) en cada uno de estos intervalos de tiempo haciendo en total unos 1600 saltos por segundo. Lo que lleva a sacrificar algo de ancho de banda a cambio confiabilidad y seguridad en la transmisión.


BLUETOOTH : Características● Los paquetes pueden tardar hasta cinco intervalos

de tiempo de 625 micro-segundos en transmitirse.

● Los datos en un paquete pueden llegar a ser de hasta una longitud de 2,745 bits.


FHSS: Frequency hopping spread spectrum.● Fc = 2.402 GHz + k MHz, k = 0, …, 78

. . .

1Mhz

1 2 3 79

83.5 Mhz

BLUETOOTH : Características


● Los módulos Bluetooth están integrados por un radio, una antena y un procesador de banda base; el cual convierte los datos en señales de FHSS Pasa-banda.

● Las frecuencias de modulación (FHSS) se cambian repetidamente durante la transmisión de radio para disminuir las interferencias con cualquier otro sistema o minimizar cualquier acceso ilegal a la red.

BLUETOOTH : Arquitectura● Los radios Bluetooth son simétricos, ya que pueden

configurarse como transmisores o receptores indistintamente. Cada radio tiene una dirección única y fija de 48-bits, llamada «BD-ADDR».

● Dos o más radios en conjunto pueden formar una red «ad-hoc»«ad-hoc», a la cual se le denomina PicoNet.

● En la PicoNet habrá siempre un Maestro y desde 1 hasta 7 esclavos activos. A cada nodo activo en la PicoNet se le asignará un código de 3 bits para permitir su identificación.


BLUETOOTH : Arquitectura● Adicionalmente a los nodos activos (en total 8

incluyendo al maestro) la red puede contener hasta 255 nodos esclavos en un estado latente llamado Estacionado o «Parked». A estos nodos se les asignará un ID de 8 bits para identificarlos.

● Los Nodos Estacionados o «Parked» no podrán participar en la PicoNet de manera activa, pero pueden ser activados e integrados en ella en tan sólo algunos milisegundos.


BLUETOOTH : Arquitectura● Existen además nodos en Reserva o «Standby» los

cuales no participan de manera alguna en la PicoNet, pero pueden ser descubiertos y llamados por el maestro a integrarse. A estos nodos no se les asigna un ID.

● Todos los dispositivos activos dentro de la red deberán compartir el mismo canal de frecuencias, por lo que deberán sincronizar sus secuencias de salto FHSS con la del maestro junto con su señal de reloj.


BLUETOOTH : Arquitectura● Cada PicoNet usa una secuencia FHSS diferente.

● Los nodos Maestro transmiten en los espacios pares de la multiplexión por división de tiempo (TDM) de cada enlace,

● Los nodos esclavos usan los «slots» nones de la misma TDM.


BLUETOOTH : Arquitectura● El nodo Maestro es el único que puede inicializar

un enlace de comunicación; sin embargo, una vez establecido el enlace, cualquier esclavo podrá solicitar un cambio de roles y convertirse en el nodo maestro.

● En la red, toda la comunicación debe cursar a través del maestro. La comunicación directa entre esclavos no está permitida.


BLUETOOTH : Arquitectura● Múltiples PicoNets con coberturas sobrepuestas

forman una ScaterNet. Cada PicoNet deberá tener un sólo maestro, pero los esclavos podrán participar en diferentes PicoNets bajo el esquema de multiplexión de tiempo (TDM).

● Un mismo dispositivo podrá ser maestro en una red y al mismo tiempo ser esclavo en otras PicoNets.


BLUETOOTH : Arquitectura● Un maestro en una PicoNet tiene la posibilidad

de unirse a otra PicoNet esta vez como esclavo; al hacer esto toda la comunicación dentro de la primera PicoNet quedará suspendida.

● En caso que un esclavo quiera dejar una PicoNet deberá informar a su maestro su ausencia por el período de tiempo acordado.


BLUETOOTH : Arquitectura● Ya que los esclavos en una ScaterNet sólo pueden

participar en una sóla red a la vez, la comunicación entre diferentes PicoNets se lleva a cabo mediante esclavos saltando dentro y fuera de ellas.

● Adicionalmente, dentro de una ScaterNet existe la posibilidad de colisión de frecuencias FHSS, ya que los saltos entre redes no están coordinados.


BLUETOOTH : Estados


● Inicialmente todos los nodos están en estado Standby

● El nodo maestro inicia la búsqueda (Inquiry) de nodos adyacentes intentándolo ya sea activamente o en modo de escucha.

Standby

Inquiry Page

Transmit Connected

Park Hold Snif

Unconnected

Connecting

Active

Low power

BLUETOOTH : Estados● El ID de 48-bits del nodo Maestro se transmite

durante la inicialización de una red (Inquiry) junto con la señal de reloj del dispositivo para permitir la sincronización de los demás nodos.

● La señal de reloj del nodo maestro determinará la fase de la propia red.

● El patrón de salto de frecuencia (FHSS) estará determinado por los 48-bits de ID del dispositivo Maestro.


BLUETOOTH : Estados


● Los dispositivos oyentes que se reciben la invitación cambian a modo Paging.

● Si desean unirse a la red los receptores envían un Acknowledge transmitiendo su propia dirección ID.

● Si efectivamente se encuentra a algún nodo se forma la PicoNet

BLUETOOTH : Estados


● Durante el modo Paging los esclavos llaman a procedimientos para sincronizar el offset de su reloj y la fase de los saltos FHSS junto con otras inicializaciones internas.

● El transmisor se convertirá entonces en el nodo maestro y el receptor en el nodo esclavo.

Master

Active Slave

Parked Slave

Standby

BLUETOOTH : Estados


● Para prolongar la vida útil de la batería existen varios modos de bajo consumo.

● Los dispositivos pueden ser apagados cuando están inactivos o pueden ser despertados de manera periódica para enviar o recibir información.

Master

Active Slave

Parked Slave

Standby

BLUETOOTH : Estados de baja Energía● Modo Hold: El nodo esclavo duerme durante el intervalo

especificado por el Maestro.

● El Maestro puede poner esclavos en «hold» durante la búsqueda de nuevos nodos, cambiar su atención a otra PicoNet (como esclavo), etc.

● No hay transmisión de paquetes ACL.

● Modo Sniff: Ciclo de baja energía.

● El nodo es mandado a dormir y despierta a intervalos regulares para tratar de comunicarse con el Maestro.


BLUETOOTH : Estados de baja Energía● Modo Park: Estado de energía ultra bajo.

● Se utiliza para admitir más de 7 esclavos en la PicoNet.

● El esclavo cede su dirección de miembro activo y recibe una dirección de miembro Estacionado o «Parked».

● Se despierta periódicamente para escuchar transmisiones que puedan sacarlo del modo Estacionado.


BLUETOOTH : Trama de Datos


72 bits 54 bits 0 - 2744 bits

Access code Header Payload

DataVoice CRCNo CRC

No retriesFEC (optional)

625 µs

Master

ARQFEC (optional)

Slave

BLUETOOTH : Trama de Datos

● Access code : Dirección del Maestro de la PicoNet.

● Header : Addressing (3) Máximo 7 esclavos

Packet type (4) 16 tipos de paquetes

Flow control (1)

1-bit ARQ (1) No para Paquetes de Broadcasting

Sequencing (1) Para filtrar paquetes retransmitidos

HEC (8) Verificación de integridad del Header


72 bits 54 bits 0 - 2744 bits

Access code Header Payload

BLUETOOTH : OSI model / Protocol Stack


● HCI : Host controller interface

OSI modelBluetooth Stack



Transport Protocol Group




Middleware Protocol Group


BLUETOOTH : Protocol Stack


● El «Protocol Stack» está compuesto de protocolos que posibilitan que los dispositivos Bluetooth puedan inicializar los elementos necesarios para cualquier aplicación; así como crear, configurar y administrar tanto enlaces lógicos IP como los enlaces con radios físicos.

● Lo anterior permite que los protocolos de las capas superiores así como diversas aplicaciones puedan enviar datos e información a través de los servicios que proporciona la capa de transporte.



● Bluetooth Protocol Core: Radio, Baseband, LMP, L2CAP y SDP.

● Cable Replacement Protocol: RFCOMM.

● Telephony Control Protocol: TCS Binary y AT commands.

● Adopted Protocols: PPP, UDP/TCP/IP, OBEX, WAP, Vcard, vCal, IrMc y WAE.

Host Controller Interface HCI, es la interface al controlador de banda base, al administrador de enlaces y a los registros de HW de control y estatus del sistema.

BLUETOOTH : Protocol Core


● Radio Bluetooth (RF) : Permiten el envío y recepción de tramas de bits modulados en FHSS y TDM (capa física)

● Baseband : Define el tiempo, y el framing de datos así como controla el flujo de operaciones en el enlace. Transmite 2 tipos distintos de tramas con sus correspondientes paquetes de banda base los cuales pueden ser transmitidos de manera alternada a través del mismo enlace de radio.

● Enlace asíncrono sin conexión (ACL): Usados para el transporte de datos exclusivamente.

● Conexión síncrona orientada (SCO): Puede transmitir sólo audio o datos y audio combinados, cada uno con diferentes niveles de encriptación / seguridad

BLUETOOTH : Protocol Core


● Baseband cont...: El audio puede ser transmitido en formato SCO a uno o más dispositivos Bluetooth saltándose el bloque L2CAP.

● Link Manager : Administración de los estados de conexión con otros dispositivos, de la seguridad y del consumo propio de energía; además de supervisa la equidad de Transmisión y Recepción entre los distintos esclavos.

● Logical Link Control & Adaptation Protocol (L2CAP): Interfase con las capas de alto nivel, controla la multiplexión y demultiplexión de datos. Maneja la segmentación y re-ensamble de grandes paquetes de datos (hasta 64 kbytes), el descubrimiento de dispositivos y la gestión de paquetes de QoS. La capa es la que soporta mensajes tipo ACL.

BLUETOOTH : Middleware Protocol Group


● Protocolos de transporte adicionales que permiten a las aplicaciones existentes y nuevas operar a través de Bluetooth. Contiene un protocolo para el control de paquetes de señalización de telefonía, varios para internet y un protocolo de descubrimiento de servicios.

● Service Discovery Protocol (SDP)

● Cable Replacement Protocol

● Telephony Control Protocol

● Adopted Protocols



● Service Discovery Protocol (SDP) : Permite descubrir servicios dentro de los dispositivos que integran la PicoNet y reportarlos a la capa de aplicaciones. Es una parte crucial del protocolo Bluetooth. (a veces incluido en el Protocol Core)

● Cable Replacement Protocol

● RFCOMM : Protocolos para el reemplazo de cables y para la emulación de puertos seriales a través de la red inalámbrica (e.g. OBEX).



● Telephony Control Protocol (TCS Binary): Define la señalización para enlaces de voz y datos entre dispositivos Bluetooth y los procedimientos de movilidad para administrar grupos de nodos TCS.

● Adopted Protocols

● Point to Point Protocol (PPP) : Diseñado para correr sobre RFCOMM y establecer enlaces punto a punto. Es usado por los paquetes IP al ser enviados o recibidos por la LAN.



● Adopted Protocols cont.

● UDP/TCP/IP : Protocolos definidos para regular la comunicación en Internet, lo que permite la comunicación del dispositivo Bluetooth con cualquier otro dispositivo en Internet.

● IP : Define primero, cómo se puede ubicar un dispositivo específico en Internet y segundo, cómo la serie de redes que componen Internet reciben o envían mensajes de un dispositivo a otro.




● UDP : Es el protocolo de transporte más simple que reside sobre la capa IP. Ofrece sólo dos funciones: Integridad de datos (uso de checksums) y Multi-plexión de paquetes, a través de la conexión de servicios en el SO con puertos.

● TCP : Asegura la entrega confiable de tramas de datos y que estas vengan exactamente en el orden de como se las envió. También hace las solicitudes de reenvío de paquetes cuando se detectan errores




● TCP (cont.): Un stack TCP es mucho más complicado de implementar y requerirá más recursos de HW que el de UDP. Sin embargo, esta carga es a menudo aceptable.

● IrOBEX o OBEX : Protocolo para manejar sesiones de comunicación IrDA para el intercambio de “objetos” de manera simple y llana. Similar a HTTP pero mucho más simple.




● vCard y vCalendar : Protocolos definidos para el intercambio de tarjetas de presentación y de capturas en agendas electrónicas. No definen el mecanismo de transporte, sólo el formato en el que la información es transportada.

● WAP : Protocolo para gestionar rutas de acceso o «gateways» entre el dispositivo y una computadora personal.

BLUETOOTH : Seguridad


● La seguridad en Bluetooth es proporcionada por sólo en los canales de comunicación.

● Puede proveerse Autentificación y encriptación del enlace

● Seguridad de extremo a extremo en la comunicación sólo puede proporcionarse mediante soluciones de seguridad en las capas superiores (Apps).



● Bluetooth ofrece tres servicios de seguridad

● Verificación de la identidad de los dispositivos con los que se comunica - Autentificación

● Protección de la información - Confidencialidad

● Derecho de acceso a los recursos / servicios – Autorización.



● Una secuencia de salto rápida (FHSS) junto con el control de la potencia del enlace de radio pueden de proporcionar una mejor protección contra el espionaje y el acceso malicioso.

● Una FHSS rápida hace que sea más difícil identificar la frecuencia a la que se transmite.

● El control de potencia obliga al atacante a estar en proximidad relativamente alta al dispositivo en cuestión.

BLUETOOTH : Niveles de Encriptación


● Existen 3 niveles de cifrado estándar:

● Modo de cifrado 1: - Sin cifrado se realiza sobre cualquier tráfico de información

● Modo de cifrado 2: - El tráfico de difusión o Broadcasting va sin protección, mientras que el tráfico Punto a Punto está protegido por una clave única

● Modo de cifrado 3: - Todo el tráfico se cifra

BLUETOOTH : Niveles de Confianza


● Existen 2 niveles de confianza:

● Dispositivos de confianza tienen derecho pleno de acceso

● Dispositivos que no son de confianza tienen solo acceso restringido a los servicios

BLUETOOTH : Procedimiento de cifrado


● Paso 1: La activación del usuario (inicialización o emparejamiento) Dos dispositivos necesitan un pin común (1-16 bytes)

● Paso 2: Generación de clave de autentificación (128 bits) : Posiblemente permanente, generado con base en el PIN, la dirección del dispositivo, números aleatorios, etc.

● Paso 3: Generación de Clave de cifrado (128 bits, almacenamiento temporal)

● Paso 4: Codificación de la transmisión (operaciones xor de cifrado para todos los datos con la clave de 128 bits)

BLUETOOTH : Desventajas


● La tasa de transferencia entre dos dispositivos Bluetooth es lento en comparación con la transferencia de un Wi-Fi

● Alcance limitado a unos 5-10m, dependiendo del dispositivo.

● La seguridad es su mayor desventaja ya que la transferencia se lleva a cabo a través de ondas de radio y un hacker puede fácilmente accesar ilegalmente al enlace.

● El uso de la batería también es un problema, ya que puede terminarse la carga y el dispositivo estará fuera de linea sin antes saberlo.

Other weaknesses

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Contenido

La presentación consta de los siguientes puntos:

Introducción

Consideraciones generales de los anlaces inalámbricos.

Casos de Estudio.

Esquemas para los casos propuestos.

BLUETOOTH : Fases para enlaces simples


● Fase 1: intercambio de claves públicas

● Fase 2: Autenticación Etapa 1

● Fase 3: Autenticación Etapa 2

● Fase 4: Enlace cálculo clave

● Fase 5: LMP autentificación y encriptación

● Las fases 1, 3, 4 y 5 son las mismas para todos los protocolos mientras que la fase 2 (fase de autenticación 1) es diferente dependiendo del protocolo utilizado. Distribuido a través de estas cinco fases deben realizarse 13 pasos.

BLUETOOTH : Fases para enlaces simples


estándares de comunicaciones inalámbricas - itq.edu.mx · se debe coordinar el uso del espectro...

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