IEEE 802.11n , formalmente IEEE 802.11n-2009 y también llamado simplemente 802.11n , es un estándar de redes inalámbricas que utiliza múltiples antenas para aumentar la velocidad de transmisión de datos. La Wi-Fi Alliance también ha denominado retroactivamente la tecnología para este estándar como Wi-Fi 4. [ 6 ] [ 7 ] Estandarizó la compatibilidad con MIMO ( múltiples entradas, múltiples salidas ), la agregación de tramas y mejoras de seguridad, entre otras características, y puede utilizarse en las bandas de frecuencia de 2,4 GHz o 5 GHz.
Al ser el primer estándar Wi-Fi en introducir soporte MIMO , los dispositivos y sistemas que soportaban el estándar 802.11n (o versiones preliminares del mismo) a veces se denominaban productos Wi-Fi MIMO, especialmente antes de la introducción del estándar de siguiente generación. [ 8 ] El uso de MIMO- OFDM (multiplexación por división de frecuencia ortogonal) para aumentar la velocidad de datos manteniendo el mismo espectro que 802.11a fue demostrado por primera vez por Airgo Networks. [ 9 ]
El propósito del estándar es mejorar el rendimiento de la red con respecto a los dos estándares anteriores —802.11a y 802.11g— con un aumento significativo en la tasa máxima de datos netos de 54 Mbit/s a 72 Mbit/s con un único flujo espacial en un canal de 20 MHz, y 600 Mbit/s ( tasa de bits bruta ligeramente superior que incluye, por ejemplo, códigos de corrección de errores, y rendimiento máximo ligeramente inferior ) con el uso de cuatro flujos espaciales en un ancho de canal de 40 MHz. [ 10 ] [ 11 ]
IEEE 802.11n-2009 es una enmienda al estándar de redes inalámbricas IEEE 802.11-2007 . 802.11 es un conjunto de estándares IEEE que rigen los métodos de transmisión de redes inalámbricas. Actualmente se utilizan comúnmente en sus versiones 802.11a , 802.11b , 802.11g , 802.11n, 802.11ac y 802.11ax para proporcionar conectividad inalámbrica en hogares y empresas. El desarrollo de 802.11n comenzó en 2002, siete años antes de su publicación. El protocolo 802.11n corresponde a la cláusula 20 del estándar IEEE 802.11-2012 publicado y posteriormente se renombró como cláusula 19 del estándar IEEE 802.11-2020 publicado.
Descripción
IEEE 802.11n es una enmienda a IEEE 802.11-2007, modificada a su vez por IEEE 802.11k-2008 , IEEE 802.11r-2008 , IEEE 802.11y-2008 e IEEE 802.11w-2009 . Se basa en los estándares 802.11 anteriores, añadiendo un sistema de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO) y canales de 40 MHz a la capa física (PHY) , así como agregación de tramas a la capa MAC . Existían implementaciones propietarias anteriores de MIMO y canales de 40 MHz, como Xpress , Super G y Nitro, que se basaban en la tecnología 802.11g y 802.11a, pero esta fue la primera vez que se estandarizó en todos los fabricantes de radio.
MIMO es una tecnología que utiliza múltiples antenas para transmitir de forma coherente más información que con una sola antena. Esto se logra, entre otras cosas, mediante la multiplexación por división espacial (SDM), que multiplexa espacialmente múltiples flujos de datos independientes, transmitidos simultáneamente dentro de un mismo canal espectral de ancho de banda. MIMO SDM puede aumentar significativamente el rendimiento de datos a medida que se incrementa el número de flujos de datos espaciales transmitidos. Cada flujo espacial requiere una antena independiente tanto en el transmisor como en el receptor. Además, la tecnología MIMO requiere una cadena de radiofrecuencia y un convertidor analógico-digital independientes para cada antena, lo que la hace más costosa de implementar que los sistemas que no utilizan MIMO.
Los canales que operan con un ancho de 40 MHz son otra característica incorporada en 802.11n; esto duplica el ancho del canal de 20 MHz en los PHY 802.11 anteriores para transmitir datos, y proporciona el doble de la velocidad de datos PHY disponible en un solo canal de 20 MHz. Se puede habilitar en el modo de 5 GHz, o dentro del modo de 2,4 GHz si se sabe que no interferirá con ningún otro sistema 802.11 o no 802.11 (como Bluetooth) que utilice las mismas frecuencias. [ 12 ] La arquitectura MIMO, junto con los canales más anchos, ofrece una mayor velocidad de transferencia física que los estándares 802.11a (5 GHz) y 802.11g (2,4 GHz). [ 13 ]
Codificación de datos
El transmisor y el receptor utilizan técnicas de precodificación y postcodificación, respectivamente, para alcanzar la capacidad de un enlace MIMO. La precodificación incluye la formación de haces espaciales y la codificación espacial, donde la formación de haces espaciales mejora la calidad de la señal recibida en la etapa de decodificación. La codificación espacial puede aumentar el rendimiento de datos mediante multiplexación espacial y aumentar el alcance aprovechando la diversidad espacial, a través de técnicas como la codificación Alamouti .
Número de antenas y flujos de datos
El número de flujos de datos simultáneos está limitado por el número mínimo de antenas en uso en ambos extremos del enlace. Sin embargo, las radios individuales suelen limitar aún más el número de flujos espaciales que pueden transportar datos únicos. La notación a × b : c ayuda a identificar las capacidades de una radio determinada. El primer número ( a ) es el número máximo de antenas de transmisión o cadenas TF de transmisión que puede utilizar la radio. El segundo número ( b ) es el número máximo de antenas de recepción o cadenas RF de recepción que puede utilizar la radio. El tercer número ( c ) es el número máximo de flujos espaciales de datos que la radio puede utilizar. Por ejemplo, una radio que puede transmitir con dos antenas y recibir con tres, pero que solo puede enviar o recibir dos flujos de datos, sería 2 × 3 : 2.
El borrador del estándar 802.11n permite hasta 4 × 4 : 4. Las configuraciones comunes de los dispositivos 11n son 2 × 2 : 2 , 2 × 3 : 2 y 3 × 2 : 2. Las tres configuraciones tienen el mismo rendimiento máximo y las mismas características, y solo difieren en la cantidad de diversidad que proporcionan los sistemas de antenas. Además, una cuarta configuración, 3 × 3 : 3, se está volviendo común, la cual tiene un mayor rendimiento debido al flujo de datos adicional. [ 14 ]
Tasas de datos
Suponiendo parámetros operativos iguales a los de una red 802.11g que alcanza los 54 megabits por segundo (en un único canal de 20 MHz con una antena), una red 802.11n puede alcanzar los 72 megabits por segundo (en un único canal de 20 MHz con una antena y un intervalo de guarda de 400 ns ). La velocidad de 802.11n puede llegar hasta los 150 megabits por segundo si no hay otras emisiones de Bluetooth, microondas o Wi-Fi en las proximidades, utilizando dos canales de 20 MHz en modo de 40 MHz. Si se utilizan más antenas, 802.11n puede llegar hasta los 288 megabits por segundo en modo de 20 MHz con cuatro antenas, o hasta los 600 megabits por segundo en modo de 40 MHz con cuatro antenas y un intervalo de guarda de 400 ns. Debido a la grave congestión de la banda de 2,4 GHz en la mayoría de las zonas urbanas, las redes 802.11n suelen tener más éxito en el aumento de la velocidad de datos utilizando más antenas en modo de 20 MHz que operando en modo de 40 MHz, ya que este último requiere un espectro radioeléctrico relativamente libre, disponible únicamente en zonas rurales alejadas de las ciudades. Por lo tanto, los ingenieros de red que instalen una red 802.11n deben procurar seleccionar routers y clientes inalámbricos con el mayor número posible de antenas (una, dos, tres o cuatro, según lo especificado por el estándar 802.11n) y asegurarse de que el ancho de banda de la red sea satisfactorio incluso en modo de 20 MHz.
Se alcanzan velocidades de datos de hasta 600 Mbit/s solo con un máximo de cuatro flujos espaciales utilizando un canal de 40 MHz de ancho. El estándar define varios esquemas de modulación y tasas de codificación, asignando además un número arbitrario a cada uno; este número es el índice del esquema de modulación y codificación , o índice MCS . La tabla siguiente muestra las relaciones entre las variables que permiten la velocidad de datos máxima. GI (Intervalo de guarda): Tiempo entre símbolos. [ 15 ]
El canal de 20 MHz utiliza una FFT de 64, de las cuales: 56 subportadoras OFDM , 52 para datos y 4 para tonos piloto con una separación de portadora de 0,3125 MHz (20 MHz/64) (3,2 μs). Cada una de estas subportadoras puede ser BPSK , QPSK , 16- QAM o 64- QAM . El ancho de banda total es de 20 MHz con un ancho de banda ocupado de 17,8 MHz. La duración total del símbolo es de 3,6 o 4 microsegundos , que incluye un intervalo de guarda de 0,4 (también conocido como intervalo de guarda corto (SGI)) o 0,8 microsegundos.
Agregación de marcos
La velocidad de datos a nivel PHY no coincide con el rendimiento a nivel de usuario debido a las sobrecargas del protocolo 802.11, como el proceso de contención, el espaciado entre tramas, las cabeceras a nivel PHY (Preámbulo + PLCP) y las tramas de acuse de recibo. La principal característica de control de acceso al medio (MAC) que proporciona una mejora del rendimiento es la agregación. Se definen dos tipos de agregación:
- Agregación de unidades de datos de servicio MAC (MSDU) en la parte superior del MAC (denominada agregación de MSDU o A-MSDU).
- Agregación de unidades de datos del protocolo MAC (MPDU) en la parte inferior del MAC (denominada agregación de MPDU o A-MPDU).
La agregación de tramas es un proceso que consiste en agrupar varias MSDU o MPDU para reducir la sobrecarga y promediarla en varias tramas, aumentando así la velocidad de datos a nivel de usuario. La agregación A-MPDU requiere el uso de la confirmación de bloque o BlockAck, que se introdujo en 802.11e y se optimizó en 802.11n.
Compatibilidad con versiones anteriores
Cuando se lanzó el estándar 802.11g para compartir la banda con los dispositivos 802.11b existentes, se proporcionaron mecanismos para garantizar la compatibilidad con versiones anteriores entre los dispositivos antiguos y los sucesores. El estándar 802.11n amplía la gestión de coexistencia para proteger sus transmisiones de los dispositivos antiguos, incluidos los 802.11g , 802.11b y 802.11a . Existen mecanismos de protección a nivel MAC y PHY, como se detalla a continuación:
- Protección a nivel PHY: Protección de formato de modo mixto (también conocida como protección L-SIG TXOP): En modo mixto, cada transmisión 802.11n siempre está integrada en una transmisión 802.11a o 802.11g. Para transmisiones de 20 MHz, esta integración se encarga de la protección con 802.11a y 802.11g. Sin embargo, los dispositivos 802.11b aún necesitan protección CTS .
- Protección a nivel físico: Las transmisiones que utilizan un canal de 40 MHz en presencia de clientes 802.11a o 802.11g requieren el uso de la protección CTS en ambas mitades de 20 MHz del canal de 40 MHz para evitar interferencias con dispositivos antiguos.
- Protección a nivel MAC: Se puede utilizar un intercambio de tramas RTS/CTS o una transmisión de tramas CTS a velocidades anteriores para proteger la transmisión 11n posterior.
Estrategias de despliegue
Para lograr el máximo rendimiento, se recomienda una red pura de 802.11n a 5 GHz. La banda de 5 GHz tiene una capacidad sustancial debido a la gran cantidad de canales de radio que no se superponen y a una menor interferencia de radio en comparación con la banda de 2,4 GHz. [ 16 ] Una red solo de 802.11n puede ser poco práctica para muchos usuarios porque necesitan admitir equipos antiguos que todavía son solo 802.11b/g. En un sistema de modo mixto, una solución óptima sería usar un punto de acceso de doble radio y colocar el tráfico 802.11b/g en la radio de 2,4 GHz y el tráfico 802.11n en la radio de 5 GHz. [ 17 ] Esta configuración supone que todos los clientes 802.11n son compatibles con 5 GHz, lo cual no es un requisito del estándar. 5 GHz es opcional en Wi-Fi 4; muchos dispositivos compatibles con Wi-Fi 4 solo admiten 2,4 GHz y no hay una forma práctica de actualizarlos para que admitan 5 GHz.
Dirección de banda
Algunos puntos de acceso de nivel empresarial utilizan la direccionamiento de banda para enviar clientes 802.11n a la banda de 5 GHz, dejando la banda de 2,4 GHz para clientes antiguos. El direccionamiento de banda funciona respondiendo solo a las solicitudes de asociación de 5 GHz y no a las de 2,4 GHz de los clientes de doble banda. [ 18 ] [ 19 ]
Canales de 40 MHz en 2,4 GHz
La banda ISM de 2,4 GHz está bastante congestionada. Con 802.11n, existe la opción de duplicar el ancho de banda por canal a 40 MHz (canal ancho), lo que resulta en una tasa de datos ligeramente superior al doble. Sin embargo, en Norteamérica, al operar en 2,4 GHz, habilitar esta opción consume hasta el 82 % de la banda sin licencia. Por ejemplo, el canal 3 SCA (canal secundario mencionado anteriormente), también conocido como 3+7, reserva los primeros 9 de los 11 canales disponibles. En Europa y otros lugares donde están disponibles los canales 1 a 13, la asignación de 1+5 utiliza algo más del 50 % de los canales, pero la superposición con 9+13 no suele ser significativa, ya que se encuentra en los límites de las bandas, por lo que dos bandas de 40 MHz normalmente funcionan, a menos que los transmisores estén físicamente muy cerca.
La especificación exige un canal principal de 20 MHz y un canal secundario adyacente con una separación de ±20 MHz. El canal principal se utiliza para la comunicación con clientes incompatibles con el modo de 40 MHz. En el modo de 40 MHz, la frecuencia central es, de hecho, el promedio de las frecuencias de los canales principal y secundario.
Las normativas locales pueden restringir el funcionamiento de ciertos canales. Por ejemplo, los canales 12 y 13 normalmente no están disponibles para su uso como canal principal o secundario en Norteamérica. Para más información, consulte la Lista de canales WLAN .
Programa de certificación de la Wi-Fi Alliance
La Wi-Fi Alliance ha actualizado su conjunto de pruebas de compatibilidad para algunas mejoras que se finalizaron después de la versión 2.0. Además, ha afirmado que todos los productos certificados en el borrador n siguen siendo compatibles con los productos que cumplen con los estándares finales. [ 20 ]
borrador-n
Después de que se publicó el primer borrador del estándar IEEE 802.11n en 2006, muchos fabricantes comenzaron a producir los llamados productos " draft-n " que afirmaban cumplir con el borrador del estándar, incluso antes de la finalización del estándar, lo que significa que podrían no ser interoperables con productos producidos de acuerdo con el estándar IEEE 802.11 después de la publicación del estándar, ni siquiera entre ellos mismos. [ 21 ] La Wi-Fi Alliance comenzó a certificar productos basados en el borrador 2.0 de IEEE 802.11n a mediados de 2007. [ 22 ] [ 23 ] Este programa de certificación estableció un conjunto de características y un nivel de interoperabilidad entre los proveedores que soportan esas características, proporcionando así una definición de "draft n" para garantizar la compatibilidad y la interoperabilidad. La certificación base cubre tanto los canales de 20 MHz como los de 40 MHz de ancho, y hasta dos flujos espaciales, para rendimientos máximos de 144,4 Mbit/s para 20 MHz y 300 Mbit/s para 40 MHz (con intervalo de guarda corto ). Varios proveedores, tanto del sector de consumo como del empresarial, han desarrollado productos que han obtenido esta certificación. [ 24 ]
Cronología
Los siguientes son hitos en el desarrollo de 802.11n: [ 25 ]
- 11 de septiembre de 2002
- Se celebró la primera reunión del Grupo de Estudio de Alto Rendimiento (HTSG). A principios de año, en el comité permanente de la Próxima Generación Inalámbrica (WNG SC), se presentaron ponencias sobre la necesidad de los cambios y el rendimiento objetivo requerido para justificar las modificaciones. En mayo de 2002 se llegó a un acuerdo para posponer el inicio del Grupo de Estudio hasta septiembre, con el fin de permitir que el proyecto 11g completara su trabajo principal durante la sesión de julio de 2002.
- 11 de septiembre de 2003
- El Comité de Nuevos Estándares (NesCom) del IEEE-SA aprobó la Solicitud de Autorización de Proyecto (PAR) para enmendar el estándar 802.11-2007. El nuevo Grupo de Trabajo (TGn) 802.11 se encargará de desarrollar una nueva enmienda. La enmienda del TGn se basa en el estándar IEEE Std 802.11-2007, modificado por los estándares IEEE Std 802.11k-2008, IEEE Std 802.11r-2008, IEEE Std 802.11y-2008 e IEEE P802.11w. El TGn será la quinta enmienda al estándar 802.11-2007. El objetivo de este proyecto es definir una enmienda que establezca modificaciones estandarizadas tanto para las capas físicas (PHY) como para la capa de control de acceso al medio (MAC) del estándar 802.11, de manera que se puedan habilitar modos de operación capaces de alcanzar velocidades de transmisión mucho mayores, con un rendimiento máximo de al menos 100 Mbit/s, medido en el punto de acceso al servicio de datos (SAP) de la MAC.
- 15 de septiembre de 2003
- Primera reunión del nuevo Grupo de Trabajo 802.11 (TGn).
- 17 de mayo de 2004
- Se publicó la convocatoria de propuestas.
- 13 de septiembre de 2004
- Se examinaron 32 propuestas en la primera ronda.
- Marzo de 2005
- Se seleccionaron una única propuesta tras varias candidaturas, pero no se alcanzó un consenso del 75 % sobre ella. Durante las siguientes tres sesiones se realizaron más esfuerzos sin lograr llegar a un acuerdo sobre la propuesta final.
- Julio de 2005
- Los competidores anteriores TGn Sync, WWiSE y un tercer grupo, MITMOT, dijeron que fusionarían sus respectivas propuestas en un borrador. Se esperaba que el proceso de estandarización estuviera terminado para el segundo trimestre de 2009. [ 26 ]
- 19 de enero de 2006
- El Grupo de Trabajo IEEE 802.11n aprobó la especificación de la Propuesta Conjunta, mejorada por el borrador de especificación de EWC. [ 26 ]
- Marzo de 2006
- El Grupo de Trabajo IEEE 802.11 envió el borrador del estándar 802.11n a su primera votación por correo, lo que permitió a los más de 500 votantes del estándar 802.11 revisar el documento y sugerir correcciones de errores, cambios y mejoras.
- 2 de mayo de 2006
- El Grupo de Trabajo IEEE 802.11 votó en contra de la aprobación del borrador 1.0 del estándar 802.11n propuesto. Solo el 46,6% votó a favor. Para avanzar a la siguiente etapa del proceso de estandarización del IEEE, se requiere una mayoría del 75%. Esta votación generó aproximadamente 12 000 comentarios, muchos más de los previstos.
- Noviembre de 2006
- El TGn votó a favor de aceptar la versión preliminar 1.06, que incorpora todas las resoluciones de comentarios técnicos y editoriales aceptadas antes de esta reunión. Se aprobaron 800 resoluciones de comentarios adicionales durante la sesión de noviembre, las cuales se incorporarán a la próxima revisión del borrador. Al momento de esta reunión, tres de los 18 grupos ad hoc temáticos de comentarios, constituidos en mayo, habían finalizado su trabajo, y el 88 % de los comentarios técnicos se habían resuelto, quedando pendientes aproximadamente 370.
- 19 de enero de 2007
- El Grupo de Trabajo IEEE 802.11 aprobó por unanimidad (100 votos a favor, 0 en contra y 5 abstenciones) la solicitud del Grupo de Trabajo 802.11n para publicar una nueva versión preliminar (borrador 2.0) del estándar propuesto. El borrador 2.0 se basó en la versión preliminar 1.10 del Grupo de Trabajo. En ese momento, el borrador 2.0 era el resultado acumulativo de miles de cambios al documento 11n, basados en todos los comentarios anteriores.
- 7 de febrero de 2007
- Los resultados de la votación por escrito número 95, una votación de procedimiento de 15 días, fueron aprobados con un 97,99 % de aprobación y un 2,01 % de desaprobación. Ese mismo día, el Grupo de Trabajo 802.11 anunció la apertura de la votación por escrito número 97, que invitaba a presentar comentarios técnicos detallados y cuyo plazo de presentación finalizaba el 9 de marzo de 2007.
- 9 de marzo de 2007
- La votación por escrito número 97, la votación técnica de 30 días para aprobar el borrador 2.0, ha concluido. El anuncio fue realizado por la directiva de IEEE 802 durante la sesión plenaria de Orlando el 12 de marzo de 2007. La votación se aprobó con un 83,4% de los votos, superando el umbral mínimo de aprobación del 75%. Aún quedaban aproximadamente 3076 comentarios únicos, que se examinarían individualmente para su incorporación en la siguiente revisión del borrador 2.
- 25 de junio de 2007
- La Wi-Fi Alliance anunció su programa oficial de certificación para dispositivos basados en el borrador 2.0.
- 7 de septiembre de 2007
- El Grupo de Trabajo acordó todos los puntos pendientes del borrador 2.07. Se autoriza el borrador 3.0, con la expectativa de que se someta a votación de los patrocinadores en noviembre de 2007.
- Noviembre de 2007
- El borrador 3.0 fue aprobado (240 votos a favor, 43 en contra y 27 abstenciones). Se autorizó al editor a elaborar el borrador 3.01.
- Enero de 2008
- Se aprobó el borrador 3.02. Esta versión incorpora los comentarios técnicos y editoriales previamente aprobados. Quedan 127 comentarios técnicos sin resolver. Se esperaba que todos los comentarios restantes se resolvieran y que, posteriormente, el Grupo de Trabajo n y el Grupo de Trabajo 11 publicaran el borrador 4.0 para su redistribución mediante votación tras la reunión de marzo.
- Mayo de 2008
- Versión 4.0 aprobada.
- Julio de 2008
- Se aprobó la versión 5.0 del borrador y se modificó el calendario de publicación previsto.
- Septiembre de 2008
- Borrador 6.0 aprobado.
- Noviembre de 2008
- Borrador 7.0 aprobado.
- Enero de 2009
- El borrador 7.0 se remitió a votación del patrocinador; la votación del patrocinador fue aprobada (158 a favor, 45 en contra, 21 abstenciones); se recibieron 241 comentarios.
- Marzo de 2009
- El borrador 8.0 pasó a la recirculación de la papeleta de votación; la papeleta fue aprobada por una mayoría del 80,1% (se requería el 75%) (se recibieron 228 votos, 169 a favor, 42 en contra); 277 miembros están en el grupo de papeletas de votación del patrocinador; el comité de resolución de comentarios resolvió los 77 comentarios recibidos y autorizó al editor a crear un borrador 9.0 para una nueva votación.
- 4 de abril de 2009
- El borrador 9.0 fue aprobado tras la recirculación de la papeleta de votación del patrocinador; la papeleta fue aprobada por una mayoría del 80,7% (se requería el 75%) (se recibieron 233 votos, 171 a favor y 41 en contra); 277 miembros forman parte del grupo de votación del patrocinador; el comité de resolución de comentarios está resolviendo los 23 nuevos comentarios recibidos y autorizará al editor a crear un nuevo borrador para una nueva votación.
- 15 de mayo de 2009
- El borrador 10.0 superó la recirculación de votos de los patrocinadores.
- 23 de junio de 2009
- El borrador 11.0 superó la recirculación de votos de los patrocinadores.
- 17 de julio de 2009
- Aprobación final del Grupo de Trabajo con 53 votos a favor, 1 en contra y 6 abstenciones. [ 27 ] Aprobación unánime para enviar el borrador final del Grupo de Trabajo 11.0 al Comité de Revisión. [ 28 ]
- 11 de septiembre de 2009
- Aprobación del Comité de Revisión/Junta de Normas. [ 29 ]
- 29 de octubre de 2009
- Publicado. [ 11 ]
Comparación
Véase también
Estándar
- IEEE 802.11n-2009—Enmienda 5: Mejoras para un mayor rendimiento . IEEE-SA . 29 de octubre de 2009. doi : 10.1109/IEEESTD.2009.5307322 . ISBN 978-0-7381-6046-7.
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Notas
Referencias
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Further reading
- "WLAN 802.11n - From SISO to MIMO"(PDF).
- "Three Spatial Streams: The Good, Bad, and Ugly".
- "Fundamentals of Spatial Streams".
- "Not all Streams are Created Equal". Archived from the original on 2015-12-22. Retrieved 2015-12-16.
- IEEE 802.11