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Comunicaciones inalámbricas
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS
SEMINARIO DE TITULACIÓN
PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES Y TRANSMICIÓN DE DATOSPROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES Y TRANSMICIÓN DE DATOS
PROYECTO DE INVESTIGACIÓNCOMUNICACIONES INALAMBRICAS
PRESENTA:OLGUÍN LACUNZA ENRIQUE IGNACIO
PARDO VENTURA ALMA VALERIA
ASESORES ING. RAÚL ROBERTO BRIBIESCA CORREA
ING. GERARDO CÁRDENAS GONZÁLEZ
DR. PRIMITIVO REYES AGUILAR
FEBRERO 2006 MÉXICO DF
GRUPO 1
EQUIPO 20
Comunicaciones inalámbricas
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN................................................................................................................................I
CONTENIDO CAPITULAR..............................................................................................................V
CAPITULO 1: COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS.......................................................1
1.1 COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS.....................................................................................31.2 REDES DE COMUNICACIONES...................................................................................................61.3 CLASIFICACIÓN DE LAS REDES DE RADIO................................................................................81.4 COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS................................................................101.5 PROPAGACIÓN DE LA SEÑAL..................................................................................................131.6 DISPERSIÓN............................................................................................................................151.7 PENETRACIÓN.........................................................................................................................161.8 ANTENAS................................................................................................................................181.9 TECNOLOGÍAS DE TRANSMISIÓN............................................................................................211.10 MÚLTIPLEXACIÓN..............................................................................................................23
1.10.1 Múltiplexación por División de Tiempo.......................................................................231.10.2 Múltiplexación por División de Frecuencia................................................................241.10.3 Multiplexado Estadístico o Asíncrono.........................................................................25
1.11 MODULACIÓN....................................................................................................................251.11.1 Modulación ASK..........................................................................................................261.11.2 Modulación FSK..........................................................................................................271.11.3 Modulación BPSK........................................................................................................28
1.12 ACCESO AL MEDIO............................................................................................................311.13 ESPECTRO ENSANCHADO...................................................................................................33
1.13.1 Espectro Ensanchado por Secuencia Directa..............................................................341.13.2 Espectro Ensanchado por Salto en Frecuencia...........................................................351.13.3 Espectro Ensanchado por Salto Temporal..................................................................361.13.4 Espectro Ensanchado en Sistemas de Frecuencia Modulada Pulsada.......................371.13.5 Ventajas y Desventajas del Espectro Ensanchado......................................................38
1.14 COMUNICACIONES MÓVILES.............................................................................................39
CAPITULO 2: TELEFONÍA MÓVIL.............................................................................................46
2.1 TELEFONÍA CELULAR.............................................................................................................482.1.1 Funcionamiento...........................................................................................................482.1.2 Evolución y Convergencia Tecnológica.......................................................................49
2.2 GLOBAL SYSTEM FOR MOBILE COMMUNICATION (GSM).....................................................512.3 HIGH-SPEED CIRCUIT SWITCHED DATA (HSCSD)................................................................652.4 GENERAL PACKET RADIO SERVICE (GPRS)..........................................................................672.5 ENHANCED DATA RATES FOR GSM EVOLUTION (EDGE)....................................................732.6 UNIVERSAL MOBILE TELECOMMUNICATIONS SYSTEM (UMTS)...........................................752.7 DIGITAL ENHANCED CORDLESS TELECOMMUNICATIONS (DECT)........................................82
Comunicaciones inalámbricas
CAPITULO 3: REDES DE ACCESO..............................................................................................87
3.1 LMDS....................................................................................................................................913.1.1 Viabilidad Tecnológica................................................................................................973.1.2 Modo de funcionamiento..............................................................................................983.1.3 En qué consiste el LMDS...........................................................................................1003.1.4 Principales Elementos del Sistema LMDS.................................................................1013.1.5 Topología de red........................................................................................................1033.1.6 Aspectos técnicos del sistema LDMS.........................................................................1063.1.7 Servicios LDMS..........................................................................................................1073.1.8 Ventajas y desventajas...............................................................................................108
3.2 MMDS.................................................................................................................................1113.2.1 MMDS DE BANDA ANCHA.....................................................................................1133.2.2 Tecnología..................................................................................................................114
3.3 MVDS..................................................................................................................................117
CAPITULO 4: COMUNICACIONES SATELITALES..............................................................118
4.1 COMUNICACIÓN SATELITAL.................................................................................................1204.1.1 Modelos de Enlace del Sistema Satelital...................................................................1224.1.2 Estación Terrena de Comunicaciones.......................................................................1234.1.3 Antenas (Reflectores parabólicos).............................................................................1254.1.4 Características de un Enlace Satelital.......................................................................125
4.2 TIPOS DE SATÉLITES.............................................................................................................1284.3 CLASIFICACIONES ORBITALES, ESPACIAMIENTO Y ASIGNACIONES DE FRECUENCIA..........1334.4 PROCESAMIENTO DE SEÑAL.................................................................................................135
CAPITULO 5: WLAN (WIRELESS LAN)...................................................................................137
5.1 ARQUITECTURA....................................................................................................................1395.2 TOPOLOGÍAS.........................................................................................................................1405.3 PILA DE PROTOCOLOS..........................................................................................................1425.4 ITINERANCIA........................................................................................................................1435.5 SEGURIDAD..........................................................................................................................1455.6 CIFRADO...............................................................................................................................1465.7 ESPECIFICACIONES...............................................................................................................1485.8 APLICACIONES......................................................................................................................1545.9 VOZ SOBRE WIFI..................................................................................................................159
5.9.1 Cómo Trabaja WiFi...................................................................................................1605.9.2 Canales WiFi..............................................................................................................161
CAPITULO 6: WPAN (WIRELESS PAN)....................................................................................165
6.1 BLUETOOTH..........................................................................................................................1686.1.1 Topología de Red.......................................................................................................1706.1.2 Pila de Protocolos......................................................................................................1736.1.3 Aplicaciones...............................................................................................................176
6.2 WIMEDIA/UWB...................................................................................................................1776.2.1 Tecnología..................................................................................................................1786.2.2 Seguridad...................................................................................................................179
Comunicaciones inalámbricas
6.2.3 Topologías..................................................................................................................1806.3 ZIGBEE (IEEE 802.15.4)....................................................................................................180
6.3.1 Los tipos de dispositivo Zigbee..................................................................................1826.3.2 Los protocolos Zigbee................................................................................................1836.3.3 Topología de la red....................................................................................................186
6.4 HOMERF.............................................................................................................................1876.4.1 Tecnología..................................................................................................................1886.4.2 Pila de protocolos......................................................................................................1896.4.3 Seguridad...................................................................................................................190
6.5 IRDA....................................................................................................................................190
CAPITULO 7: DISEÑO DE REDES WLAN................................................................................192
7.1 PLANIFICACIÓN....................................................................................................................1947.1.1 Auditoria de la Red....................................................................................................1947.1.2 Fijación de los Objetivos de la Red...........................................................................1967.1.3 Densidad de Usuarios................................................................................................198
7.2 ANÁLISIS..............................................................................................................................199Modelo de Referencia...............................................................................................................1997.2.1 Seguridad...................................................................................................................200
7.3 DISEÑO.................................................................................................................................2037.3.1 Selección de la Tecnología........................................................................................2037.3.2 Número de puntos de acceso......................................................................................2057.3.3 Mapa de frecuencias..................................................................................................2097.3.4 Ubicación de los puntos de acceso............................................................................2117.3.5 Alimentación de los puntos de acceso........................................................................2117.3.6 Movilidad...................................................................................................................212
7.4 JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA.................................................................................................213
CONCLUSIONES............................................................................................................................216
Bibliografía.........................................................................................................................................218
Comunicaciones inalámbricas
OBJETIVO:
El principal objetivo de realizar esta tesina es el conocer las diferentes
tecnologías para las comunicaciones inalámbricas que actualmente se utilizan en
México, así como las principales diferencias que existen entre ellas, también se
pretende encontrar las ventajas y desventajas que cada una de ellas presenta.
COMUNICACIONES INALÁMBRICAS
INTRODUCCIÓN
Una de las tecnologías más prometedoras y discutidas en esta década es la
de poder comunicar computadoras mediante tecnología inalámbrica. La conexión
de computadoras mediante Ondas de Radio o Luz Infrarroja, actualmente está
siendo ampliamente investigada.
Una muy buena opción que existe en redes de larga distancia son las
denominadas: Red Pública de Conmutación de Paquetes por Radio. Estas redes
no tienen problemas de pérdida de señal debido a que su arquitectura está
diseñada para soportar paquetes de datos en lugar de comunicaciones de voz.
Las redes privadas de conmutación de paquetes utilizan la misma tecnología que
las públicas, pero bajo bandas de radiofrecuencias restringidas por la propia
organización de sus sistemas de cómputo.
La Educación a Distancia descansa en dos pilares fundamentales: La
Comunicación entre la Institución y los docentes por un lado y la utilización de los
medios didácticos por otro. Las Instituciones de Enseñanza a Distancia a lo largo
de la historia siempre han empleado los últimos recursos tecnológicos de
comunicación y medios existentes para poder desarrollar su labor. En un principio
fue el correo postal, le siguió la radio, el teléfono, la televisión, las redes
telemáticas. Hoy en día se abre una nueva frontera en el terreno de la
comunicación con la integración de Internet y las comunicaciones móviles
(teléfonos, PDA, pagers, etc.) a través del protocolo WAP y su futura integración
con lenguajes Estándar multimedia como SMIL.
Actualmente las transmisiones inalámbricas constituyen una eficaz y
poderosa herramienta que permite la transferencia de voz, datos y video, sin la
necesidad de utilizar cables para establecer la conexión.
i
COMUNICACIONES INALÁMBRICAS
Esta transferencia de información es lograda a través de la emisión de
ondas de radio, permitiendo así tener dos grandes ventajas las cuales son la
movilidad y flexibilidad del sistema en general.
NACIMIENTO DE LA COMUNICACIÓN INALÁMBRICA
Si nos remontamos en la historia, encontramos que las comunicaciones
inalámbricas comenzaron con:
La postulación de las ondas electromagnéticas por James Clerk Maxwell
durante el año de 1860 en Inglaterra.
La demostración de la existencia de estas ondas por Heinrich Rudolf
Hertz en 1880 en Inglaterra.
La invención del telégrafo inalámbrico por Guglielmo Marconi.
Una vez que Hertz demostró que en la naturaleza existen realmente las
ondas electromagnéticas que Maxwell había anticipado, se inició una serie de
estudios teóricos y experimentales para encontrar sus diversas propiedades
En 1894 el ingeniero italiano Guglielmo Marconi (1874-1937) leyó la
biografía de Hertz e inmediatamente empezó a trabajar en la idea de usar las
ondas electromagnéticas para transmitir señales. Construyó los aparatos descritos
por Hertz, a los cuales les añadió un cohesor, que es un tubo de vidrio que
contiene limaduras de hierro, y conectó tanto el transmisor como el receptor a una
antena. Una señal eléctrica que pase por el cohesor hace que las limaduras se
unan durante el intervalo que dura la señal; de esta manera este dispositivo
detecta ondas electromagnéticas. En 1895 Marconi probó sus aparatos, con los
cuales logró enviar señales hasta distancias de un par de kilómetros.
ii
COMUNICACIONES INALÁMBRICAS
CONCEPTOS BÁSICOS DE COMUNICACIONES INALÁMBRICAS
Las señales inalámbricas son ondas electromagnéticas que viajan a través
de un medio concreto: habitualmente el aire, pero también el vacío o cuando se
tropiezan con un obstáculo parte de esa señal lo atraviesa o queda retenida o se
“refracta”. Pueden cubrir tanto grandes distancias como pequeñas, todo
dependerá de factores como la frecuencia, la potencia o los medios que atraviesa
la señal.
La unidad de medida para distinguir unas señales de otras en las
comunicaciones wireless, son los hertz y cada dispositivo o conjunto de ellos,
emiten en diferentes frecuencias, en distintos hertz, para que unas señales no
“estorben” a otras. Sin embargo, no todas las comunicaciones inalámbricas
transportan datos, las hay de vídeo o de voz, también el conjunto de todas ellas se
les denomina espectro de radio, es una parte de un todo llamado espectro electromagnético, el espectro de radio utiliza frecuencias desde los 3KHz hasta
los 300 GHz.
Cada tipo de comunicación inalámbrica tiene sus pros y sus contras, entre
los más significativos tenemos:
IR. Infrarrojos: que soporta tasas de datos muy elevadas, costes bajos
pero con distancias muy limitadas.
Banda Estrecha: Con tasas de transferencia bajas y costes medios.
Alcanza distancias limitadas y requiere una licencia para transmitir
Espectro Diverso: El llamado y conocido por su nombre inglés Spread
Spectrum, las tasas de datos son altas, coste medio y cubre áreas no
muy grandes.
PCS: Personal Communications Service o Servicio de comunicaciones
de banda ancha, las tasas de datos son bajas, coste medio y el objetivo
de cubrir un área de una Ciudad
iii
COMUNICACIONES INALÁMBRICAS
CDPD: Cellular Digital Packet Data, Datos Celulares y Datos Digitales,
Tasas bajas, coste elevado y cobertura de un País.
Independientemente del tipo de comunicación a usar, existen diversos
factores, parámetros y problemáticas, como base, entre algunas de las preguntas
que debemos hacernos se encuentran las siguientes:
¿Cuál es la Tasa de datos que podemos conseguir?
¿A qué distancia se pueden colocar las estaciones inalámbricas entre
ellas? Claro... manteniendo la tasa máxima de datos.
¿Cuántos usuarios pueden existir sin perjuicio de la tasa de datos?
Las comunicaciones inalámbricas se ven afectadas por varios factores:
El tipo de modulación usada: La modulación es el proceso por el que la
frecuencia o amplitud es modificado para transmitir datos.
La distancia es un factor clave en las comunicaciones inalámbricas,
cuanto más lejos estén los nodos inalámbricos, la diferencia entre la
señal y el ruido será menor.
La relación señal ruido es un requisito fundamental en la comunicación,
hay que tender a más señal con menos ruido, si hay ruido en el medio,
en el canal, la velocidad de transmisión se reduce o reducirse tanto que
no exista comunicación. Por tanto, el ruido, la velocidad y la distancia
están íntimamente ligados en la transmisión.
iv
COMUNICACIONES INALÁMBRICAS
CONTENIDO CAPITULAR
Capitulo 1: Comunicaciones Radioeléctricas
En este capitulo se abordan las comunicaciones radioeléctricas, las redes
cableadas como una introducción a las comunicaciones inalámbricas. También se
describe de forma breve algunos de los diferentes tipos de modulación.
Capitulo 2: Telefonía Móvil
Describe el funcionamiento de las tecnologías actuales de telefonía móvil,
principalmente la tecnología celular, además de que se comparan las diferentes
tecnologías en razón de sus ventajas y desventajas.
Capitulo 3: Redes de Acceso
Habla de algunos de los sistemas con los cuales es posible realizar una
conexión “Punto – Punto” o “Punto – Multipunto”; así como los protocolos que los
rigen y sus arquitecturas.
Capitulo 4: Comunicaciones Satelitales
Da a conocer la constitución de un sistema satelital, describiendo las partes
que lo constituyen. Además nos da una pequeña referencia sobre los sistemas
básicos de un satélite.
v
COMUNICACIONES INALÁMBRICAS
Capitulo 5: WLAN (Wireless LAN)
Muestra la arquitectura básica de las redes WLAN, así como su topología y
los diferentes protocolos que utiliza para las comunicaciones. Además de incluir
algunas de las tecnologías actuales Wireless.
Capitulo 6: WPAN (Wireless PAN)
Da a conocer las redes WPAN, incluyendo sus aspectos básicos, como son
su topología, arquitectura y protocolos. También habla de algunas de las
tecnologías que utilizan este tipo de red.
Capitulo 7: Diseño de un red WLAN
Este capitulo muestra de forma sencilla como se diseña una red WLAN,
abarcando los temas desde su planeación hasta la justificación económica.
vi
CAPITULO 1
1COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Objetivo:
En este capitulo se dará una introducción a las comunicaciones
radioeléctricas, describiendo de una forma sencilla las diferencias que existen
entre las redes cableadas y las redes inalámbricas. También se abordara el tema
de la transmisión de una señal mediante la utilización de las ondas de radio.
1
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Cualquier ser vivo en la naturaleza, de alguna forma u otra, tienen la
necesidad de comunicarse con el entorno que los rodea. Incluso la célula más
simple es capaz de captar señales de su mundo exterior y reaccionar a esos
estímulos de la manera adecuada. El ser humano no es una excepción. Desde
que los primeros homínidos fueron consientes de su propia existencia, la
comunicación se convirtió en una de las principales preocupaciones del hombre.
Primero fueros los gestos y el habla, las pinturas rupestres y la escritura.
Siguieron, los tam-tames, y las señales de humo (formas primitivas de
telecomunicaciones), el telégrafo, el teléfono y un sinfín de tecnologías cuyo
objetivo es soportar la comunicación entre personas.
Genéricamente, la comunicación es la transferencia de información con
sentido desde un lugar (llamado remitente, fuente, origen o transmisor) a otro (que
recibe el nombre destino o receptor). Por otra parte, información se define como
un patrón físico al cual se le ha asignado un significado comúnmente acordado
(mensaje). El patrón debe ser único, separado y distinto (de otro modo seria
posible determinar unívocamente el significado mensaje) y debe poder ser enviado
por el transmisor y ser detectado entendido por el receptor. Por tanto, un sistema
de comunicación esta constituido por tres elementos clave, imprescindibles y cada
uno con una función característica: transmisor, canal de transmisión y receptor. Si
la comunicación re realiza a distancia, recibe el nombre de telecomunicación. Esta
se sirve de técnicas tales como medios eléctricos, ópticos o de cualquier otro tipo
y utiliza para ello hilos metálicos, radio fibra óptica, microondas, satélites, etc.
Un punto importante y el que todavía no hemos entrado es el soporte físico
de la información. En un párrafo anterior, cuando hablamos de la comunicación,
veíamos que entre seres humanos, la información se intercambia, por lo general,
en forma de sonido, luz o patrones de textura de manera que pueda ser detectada
por los sentidos primarios del oído, vista y tacto. Sin embargo, en una red de
2
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
telecomunicaciones los entes que interacciona no son los seres humanos sino las
maquinas. Este hecho obliga a que previamente se han fijado los códigos y
protocolos que se van a utilizar o para la transmisión, integra y sin errores, del
mensaje. El receptor asumirá que no se esta comunicado información si no se
reciben patrones reconocibles.
1.1 COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Las comunicaciones radioeléctricas se caracterizan por empleo del aire y
las ondas de radio como soporte de la comunicación. A diferencia de lo que ocurre
con sus homologas cableadas, no requieren de un medio físico, como un cable de
cobre o una fibra óptica, para el establecimiento de la comunicación. En efecto, la
idea que subyace a toda red radio es la de conectividad total, tanto temporal
(conexión disponible en cualquier momento) como espacial (conexión disponible
en cualquier lugar).
Las ventajas que poseen las redes inalámbricas son:
Flexibilidad: dentro de la zona de cobertura de la red inalámbrica de los
nodos se podrán comunicar libremente y no estarán “atados” a un cable.
Poca planificación con respecto a las redes cableadas: antes de cablear
una zona se debe pensar mucho sobre la distribución física de los
equipos, mientras que una red inalámbrica solo nos tenemos que
preocupar de que quede de la cobertura de la red.
Robustez frente eventos inesperados ante los que una red cableada
podría llegar a quedar completamente inutilizada. En estos casos, una
red inalámbrica puede sobrevivir bastante mejor a este tipo de
percances.
Por otro lado, las desventajas son:
3
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Calidad de servicio: las redes inalámbricas ofrecen una peor calidad de
servicio que sus homologas cableadas. Además, hay que tener en
cuenta la tasa de error debida a las interferencias. Esta se puede situar
alrededor de 10-4 frente a las de 10-10 de las redes cableadas, lo que
significa que hay 6 ordenes de magnitud de diferencia
(aproximadamente de cada megabit transmitido, 1 Kbit será erróneo).
Esto puede llegar a ser imposible de implementar en algunos entornos
industriales con fuertes campos electromagnéticos y cientos requisitos
de calidad.
Mayor costo: aunque cada vez mas, se están abaratando los costos
asociados a estas tecnologías, todavía resultan mas caras que las
redes cableadas en la mayoría de los casos.
Restricciones: estas redes requieren de la asignación de una banda
dentro del espectro radioeléctrico. Este está muy saturado hoy en día y
las redes deben amoldarse a las reglas que existan dentro de cada país.
Seguridad en dos vertientes:
Por una parte seguridad e integridad de la información que se transmite vía
radio. Este campo esta bastante criticado en casi todos los estándares actuales
que, según dicen, no se debe utilizar en entornos críticos en los que un “robo” de
datos pueda ser peligroso.
Y por otra parte, este tipo de comunicación podría inferir con otras redes de
comunicación (policía, bomberos, hospitales) y esto hay que tenerlo en cuenta en
el diseño.
4
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
La tabla 1.1 resume estos aspectos. No obstante, siempre es posible
combinar en un mismo entorno una red de radio y una red cableada y
aprovecharse de las ventajas que ofrecen ambas.
Red de radio Red cableadaCostes de instalación Medio Alto
Movilidad Si NoFlexibilidad Muy alta Baja
Escalabilidad Alta Muy altaSeguridad Alta LataDemanda Baja Muy lata
Configuración e instalación Fácil Media
Presencia en empresas Baja Alta
Integridad Alta Alta
licencia Depende de los casos no
Tabla 1.1 Comparación entre las redes radio y las redes cableadas convencionales.
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COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
1.2 REDES DE COMUNICACIONES
Una red de telecomunicaciones se define como el conjunto de equipos,
sistemas y medios de transmisión que posibilitan que una información circule de
un punto a otro. Todo esto queda perfectamente plasmado en la siguiente figura.
Figura 1.1 modelo de un sistema de comunicaciones genérico
6
Adquisición
Información
Voz
Adquisición Emisor ReceptorTratamiento
Almacenamiento y registro
Imágenes
Datos
Adquisición
Codificador de fuente
Codificador de fuente
Acceso múltiple
Múltiplexión ModulaciónCodificador de canal
Señal
transmitida
Demodulador y ecualizador
Decodificador de canal
Acceso múltiple
Decodificador de fuente
Señal recibida
Codificador de fuente
Codificador de fuente
Receptores
Canal
Emisores
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Desde un punto de vista más próximo a la ingeniería el esquema anterior se
concreta en el mostrado en la figura 1.2.
Figura 1.2 Modelo de un Sistema de Comunicación
Los distintos emisores compiten por el acceso al canal de comunicaciones y
multiplexan sus señales según unos mecanismos determinados. Tras este
proceso, y con el fin de lograr una transmisión eficiente y efectiva, se efectúan
varias operaciones en la señal, las más comunes de las cuales son la codificación
y la modulación. Mientras que la codificación confiere a la señal un formato
adecuado a las características del canal, la modulación acopla dicha señal a las
propiedades del canal en cuestión por medio de una onda portadora.
7
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
El canal de transmisión o medio es el enlace eléctrico entre el transmisor y
el receptor, y es el puente de unión entre la fuente y el destino. Este medio puede
ser una par de hilos de cobre, un cable coaxial, una fibra óptica, el aire, etc. Pero
sin importar el tipo todos los medios de transmisión se caracterizan por la
atenuación, el receptor debe amplificarlas. En todo caso, la operación clave que
ejecuta el receptor es la demodulación, que invierte el proceso de modulación del
transmisor, con lo cual devuelve la señal a su forma original.
La función del receptor es extraer del canal la señal deseada y entregarla al
transductor de la salida, que la reproduce para que pueda ser entendida y
asimilada por el usuario. Como las señales son frecuentemente muy débiles como
resultado de la atenuación, estas son amplificadas en el receptor antes de
demodularlas.
1.3 CLASIFICACIÓN DE LAS REDES DE RADIO
Tradicionalmente, las redes de comunicaciones se habían venido
clasificando según su extensión en redes LAN, MAN y WAN. Por las
características de portabilidad de los dispositivos inalámbricos, además aparece
un nuevo tipo: las redes PAN o redes de área personal.
Las primeras aplicaciones de las redes de radio se restringían a entornos
WAN en los que se empleaba un enlace radioeléctrico para interconectar dos o
mas puntos entre si. Uno de los ejemplos mas representativos es de las
comunicaciones vía satélite en las que se emplea un repetidor que orbita
alrededor de la tierra (satélite) para enlazar estaciones terrenas. Los servicios que
soportaban las redes de satélite se caracterizaban, en general, por una fuerte
asimetría con el enlace descendente con mayor ancho de banda, por amplias
8
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
coberturas y por escasa movilidad de los terminales de usuario. El ejemplo más
representativo, quizá, sea la recepción de televisión. Sin embargo, conforme
avanzo la tecnología y a medida que los usuarios fueron demandando servicios
mas interactivos se fue poniendo de manifiesto la necesidad de nuevas redes con
mayor ancho de banda y mejor capacidad bidireccional. La solución radioeléctrica
a este problema la aportan las redes de acceso vía radio de la mano de
tecnologías como MMDS y LMDS.
Pero todas estas redes tienen un inconveniente común: la movilidad, de los
terminales de usuario, si se soporta, resulta muy compleja. Fue necesario, por
tanto, desarrollaron otro tipo de redes que tomaran la movilidad de los usuarios
como premisa fundamental. Así surgieron las redes de telefonía móvil que, en un
primer momento, ofrecían comunicaciones de voz (GSM) y tras la explosión de
Internet, también permiten las comunicaciones móviles de datos (UMTS).
Las numerosas ventajas de las comunicaciones inalámbricas pronto
hicieron que se planteara su utilización en entornos corporativos reducidos, pues
ya existían aplicaciones para empresas como las redes VSAT sobre satélite o el
acceso a Internet a través de un enlace LMDS. Se trataba de conjugar aspectos
como el gran ancho de banda de las redes locales, la libertad de movimientos y la
flexibilidad típicas de las redes móviles, pronto se obtuvo respuesta: las WLAN. El
estándar IEEE 802.11, más conocido como WIFI, al principio no tuvo demasiado
éxito debido a aspectos económicos y a algunas cuestiones técnicas que
quedaban por resolver. Sin embargo, en los últimos años ha tenido y se augura
que tendrá, un éxito similar al que Internet logro hace 10 años.
Pero las comunicaciones sin hilos también tienen aplicación en distancias
más cortas, dando lugar a las redes WPAN. Estas nacieron con el propósito de
conseguir un puesto de trabajo o escritorio en el que no existieran cables.
9
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Hoy en día existen aplicaciones realmente sorprendentes incluso de ciencia
ficción, tales como la incorporación de dispositivos de comunicación para la ropa
en forma de botones, gemelos u otros accesorios. El mayor exponente de las
redes WPAN es la tecnología Bluetooh, aunque existen otras (complementarias en
muchos casos), como son IrDA, homero o WiMedia. También Zigbee se utiliza en
estos entornos, aunque esta mas orientada a aplicaciones de tasas binarias
menores (banda estrecha).
1.4 COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS
Existen multitud de tecnologías inalámbricas, cada una con unas
particularidades que la hacen más adecuada a un entorno determinado. Desde el
punto de vista de la velocidad, encontramos tecnologías de banda ancha y banda
estrecha en función del caudal de información que sea capaz de manejar. Sin
embargo, para completar esta clasificación hemos definido un grupo más, la
banda media, en el que se engloban aquellas tecnologías con característica
híbridas entre las dos características anteriores. Todos estos tipos quedan
recogidos en la tabla siguiente. No obstante, los valores que marcan los límites de
esta clasificación no son fijos, sino que evolucionan en la misma manera en que lo
hacen las tecnologías.
DENOMINACIÓN ANCHURA DE BANDABANDA ESTRECHA De 10 a 100 kbps
BANDA MEDIA De 100 a 2.000 kbpsBANDA ANCHA De 2 a 100 Mbps(o más)
Tabla 1.2 Tipos de tecnologías inalámbricas según su anchura de banda
Según este criterio, dentro de la categoría de banda estrecha encontramos
a UWB y Zigbee, de banda media serían las comunicaciones móviles 3G, Zigbee y
Bluetooh y finalmente. UWB y 802.11 (en todas sus variantes) entrarían dentro de
10
Figura 1.4 Velocidad de las tecnologías inalámbricas
3
G
U
W
B
ZigBee
Bluetooh
ZigBee
802.11a
UWB
802.11 g
802.11b
100 MBps
10 Mbps
1Mbps
100 kbps
1
0
kbps
0 Ghz 1 Ghz 2 Ghz 3 Ghz
4 Ghz 5 Ghz
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
la banda ancha inalámbrica. La figura muestra una grafica comparativa de todas
ellas.
11
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Los requisitos de alcance que una aplicación concreta exija determinan otro
punto de idoneidad en la selección de la tecnología. Con norma central, cuanto
mayor sea la frecuencia de trabajo, menor será la distancia máxima que la
tecnología en cuestión es capaz de cubrir, ya que la señal es mas sensible a los
obstáculos que encuentra en su camino.
12
0 Ghz 1 Ghz 2 Ghz 3 Ghz
4 Ghz 5 Ghz
3
G
U
W
B
ZigBee
Bluetooh
ZigBee
802.11a
UWB
802.11g
802.11b
10 km
1 km
100 m
10 m
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
13
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Figura 1.5 Alcance de las tecnologías inalámbricas.
Por otra parte, existen aplicaciones en las que el consumo de potencia de
los dispositivos inalámbricos, constituye un factor determinante a la hora de elegir
una tecnología u otra. Así, en aplicaciones en las que los usuarios finales suelen
llevar consigo los dispositivos es deseable un bajo consumo de potencia, puesto
que el consumo esta directamente relacionado con el tamaño de la batería y, por
tanto, del dispositivo. Otro factor que influye en la potencia consumida es la
frecuencia de operación: cuanto mayor es su valor, tanta más energía se requiere
para hacer funcionar el dispositivo. Una de las ventajas de las comunicaciones
inalámbricas, independientemente de la tecnología concreta, es su bajo coste de
infraestructura en comparación con los tradicionales sistemas de comunicación
basados en cableado. Sin embargo, como es natural, existen unas tecnologías
más baratas que otras.
1.5 PROPAGACIÓN DE LA SEÑAL
Las características fundamental e la redes inalámbricas, al margen de cual
sea su aplicación y que las diferencias de cualquier otro tipo de red, es que el
medio de transmisión empleado es el aire. En las redes inalámbricas la
información a transmitir se convierte, mediante el tratamiento adecuado, en una
señal eléctrica que será radiada por antena en le transmisor y captada en el
extremo receptor por otra antena.
La propagación de las señales de radio esta influida por un aserie de
factores. A estas frecuencias, las paredes, los suelos y otros obstáculos tienden a
reflejar la señal y el ruido de fondo dificulta el proceso de demodulación. Todo ello,
junto con los efectos de las sombras. Este comportamiento tan complejo hace muy
difícil el cálculo de un rango de tiempo. Este comportamiento tan complejo hace
14
P
SENSIBILIDAD
MÍNIMO NIVEL DE RUIDO
ATENUACIÓN MÁXIMA
TRANSMISOR RECEPTOR
RANGOS MAXIMOS
F
SNRMÍNIMA
ATENUACIÓN
SNR
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
muy difícil el calculó de un rango de alcance máximo que sirva como base para
establecer un [área de cobertura bien definida.
Con el fin de simplificar la planificación de las redes radio, se emplean
parámetros como la potencia transmitida, sensibilidad, atenuación y relación señal
a ruido. La relación entre todos ellos puede verse en la siguiente figura.
15
P
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Figura 1.6 Relación entre los parámetros de cobertura
La potencia transmitida es una mediad de la fuerza con la que se produce la
transmisión. Resulta obvio que, cuanto mayor sea la potencia transmitida tanto
mayor será el alcance de la señal y mas fácilmente se distinguirá entre señal útil y
ruido pero, como contra partida, menor será la vida de la batería puesto que se
consumirá más energía. Además, existe otro inconveniente relacionado con a la
reutilización de frecuencias: cuanto menor sea la potencia transmitida, mayor será
el grado de segmentación de la red puesto que es posible implementar celdas más
pequeñas.
Una vez que la señal ha sido transmitida, viaja por el aire hasta alcanzar el
receptor. Durante su viaje, la señal va perdiendo potencia debido,
fundamentalmente, a dos efectos: la propia propagación de la señal y los
obstáculos de manera que la señal recibida es al suma de la señal original junto
con sus versiones retardadas fruto de dichas reflexiones (propagación
multicamino). El resultado es que el receptor trabajara con un nivel de señal
menor que el de la transmitida. Debido a las limitaciones del equipo receptor,
existe un valor mínimo de la potencia recibida requerido por este para remodular
la señal y que recibe el nombre de sensibilidad del receptor.
La relación señal a ruido (SNR) define la diferencia de potencia entre los
niveles de ambos. Durante el proceso de descodificación es necesaria una SNR
mínima, que viene fijada por la sensibilidad del receptor.
1.6 DISPERSIÓN
16
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Hasta ahora hemos considerando que cuando la señal encuentra un
obstáculo en su camino, se refleja y/o desvía. Sin embargo, esta reflexión no es
tan sencilla. En realidad, la señal reflejada se dispersa en toda las direcciones de
manera que parte de la energía de la señal original es absorbida por este
fenómeno, conocido por el nombre de dispersión o scattering.
La permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética de un medio
diferente del vacío dependen, además de la naturaleza del medio, de la longitud
de onda de la radiación. De esto se desprende que la velocidad de propagación de
la radiación electromagnética en un medio depende también de la longitud de
onda de dicha radiación. Por tanto, se puede afirmar que la desviación de un rayo
de luz al cambiar de medio será diferente para cada color (para cada longitud de
onda). El ejemplo más claro es el de un haz de luz blanca que se "descompone"
en colores al pasar por un prisma. La luz blanca es realmente la suma de haces
de luz de distintas longitudes de onda, que son desviadas de manera diferente.
Este fenómeno se llama dispersión.
Es el causante de la aberración cromática, el halo de colores que se puede
apreciar alrededor de los objetos al observarlos con instrumentos que utilizan
lentes como prismáticos o telescopio.
17
Figura 1.7 Fenómeno de dispersión
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
1.7 PENETRACIÓN
Una de las características de las ondas electromagnéticas a las frecuencias
empleadas en las comunicaciones radioeléctricas es su capacidad para atravesar
ciertos materiales. Esta penetración depende de factores como la naturaleza del
material, su espesor o la frecuencia y la potencia de la señal. Todo ello
desempeña un papel fundamental en las comunicaciones radio, ya que alas
ondas en su viaje se topan con todo tipo de obstáculos.
La radiación electromagnética reacciona de manera desigual en función de
su frecuencia y del material con el que entra en contacto. El nivel de penetración
de la radiación electromagnética es inversamente proporcional a su frecuencia.
Cuando la radiación electromagnética es de baja frecuencia, atraviesa
limpiamente las barreras a su paso. Cuando la radiación electromagnética es de
alta frecuencia reacciona más con los materiales que tiene a su paso.
En función de la frecuencia, las ondas electromagnéticas pueden no
atravesar medios conductores. Esta es la razón por la cual las transmisiones de
radio no funcionan bajo el mar y los teléfonos móviles se queden sin cobertura
dentro de una caja de metal. Sin embargo, como la energía ni se crea ni se
destruye, sino que se transforma, cuando una onda electromagnética choca con
un conductor pueden suceder dos cosas. La primera es que se transformen en
calor: este efecto tiene aplicación en los hornos de microondas. La segunda es
que se reflejen en la superficie del conductor (como en un espejo).
MATERIAL NIVEL DE PENETRACIÓN
18
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
BAJA FRECUENCIA FRECUENCIA MEDIA ALTA FRECUENCIA
VACIÓ Bueno Bueno Bueno
AIRE Bueno (dispersión) Bueno Bueno (atenuación por lluvia)
AGUA Aceptable Malo Muy malo
TIERRA Malo Malo Malo
Tabla 1.3 Nivel de penetración de las ondas de radio en algunos materiales
1.8 ANTENAS
Una antena puede definirse como un dispositivo conductor capaz de enviar
y recibir ondas electromagnéticas de una determinada frecuencia. Constituyen la
interfaz entre el resto de módulos del sistema y el medio radioeléctrico, al hacer
las veces de transductor entre la señal guiada que viaja por el cable y la señal
radiada que se transmite por el aire. Esta transducción, sin embargo, no se lleva a
cabo indica como la antena distribuye la potencia de la señal radiada en las
diferentes direcciones del espacio,. Puede demostrarse que cualquier antena se
comporta de la misma manera en transmisión que en recepción (teorema de
reciprocidad)
Una antena es un dispositivo formado por un conjunto de conductores
recorridos por una corriente variable en el tiempo que, conectado a un generador
es capaz de radiar ondas EM, -o que conectado a una impedancia es capaz de
recibir ondas EM procedentes de una fuente lejana. Es pues aquella parte del
sistema transmisor –o receptor- que actúa como interfase entre éste y el espacio
libre –o entre el espacio libre y el sistema receptor.
19
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Los tipos básicos de radiadores elementales son:
El dipolo eléctrico oscilante: Asimilable a un elemento de corriente de
dimensiones pequeñas comparadas con la longitud de onda.
El dipolo magnético oscilante.: Espira de corriente de dimensiones
pequeñas frente a la longitud de onda.
20
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Tipos de antenasSe pueden clasificar atendiendo a diferentes criterios:
Según el modo de radiación:
Dipolo eléctrico
Dipolo magnético
Abertura radiante
Según su comportamiento en frecuencia:
De banda estrecha
De banda ancha
Según su comportamiento direccional:
Antenas direccionales o sectoriales
Antenas omnidireccionales
Según el número de radiadores:
Con un solo elemento radiante
Arreglos o redes de elementos radiantes
Figura A Figura B
Figura 1.8 Diagrama de radiación vertical de un dipolo de 1/4 y 1
En la figura de arriba vemos el diagrama de radiación vertical de un dipolo
de 1/2 onda a media onda de altura sobre tierra, el cual presenta un lóbulo
principal con un ángulo de unos 30 grados, pero también suele aparecer
acompañado del diagrama para alturas de 1/4 y una onda (a la izquierda).
Prestando atención al dibujo correspondiente, queda claro que al aumentar la
21
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
altura respecto de la tierra el lóbulo que era solo uno para una altura de 1/2 onda
se convierte en dos para un altura de 1 onda.
La antena bipolar eléctrica o dipolo largo, es una antena resonante porque
en el caso ideal de pérdidas nulas, se forma sobre ella una onda estacionaria de
corriente con nodos en los extremos abiertos. Por ello, la longitud de la antena
debe ser un número entero de semilongitudes de onda para satisfacer esta
condición. Así sólo se puede alimentar con un conjunto discreto de frecuencias de
resonancia. Si se alimenta a la antena con una frecuencia no resonante habrá una
fuerte reflexión a la entrada de la antena. La antena bipolar es pues una antena de
banda estrecha, alrededor de la frecuencia o frecuencias de resonancia. Esta
conclusión es válida cuando el conductor que compone la antena es de sección
despreciable. En general, el ancho de banda aumenta conforme aumenta la
sección del alambre. En muchas ocasiones el dipolo tiene una sola rama a la que
se conecta el generador, cuya otra conexión se hace a tierra. La otra rama se
puede considerar como la imagen en tierra de la rama real. Así, una rama de
4/λ=L equivale a un dipolo de 2/λ. El monopolo se conoce como antena Marconi y
tienen un cuarto de longitud de onda o un múltiplo impar de éste, con toma de
tierra (¼ de onda, media onda, 5/8 de onda, etc.), muy usada en automóviles,
receptores de radio, teléfonos móviles, etc. Para que este sistema sea eficiente la
tierra debe aproximarse a la hipótesis de plano conductor perfecto: alta
conductividad y debe extenderse varias veces 4 / λ alrededor del látigo.
El dipolo de media onda, también conocido como “antena de Hertz”, es una
de las antenas más ampliamente utilizadas para frecuencias por encima de 2
MHz. Entre las antenas de elementos de corriente –además de los dipolos y
monopolos otras muy utilizadas son la antena de cuadro o antena loop y la antena
de microcinta (“micro strip” o “patch”); en ésta los conductores radiantes son un
parche metálico encima de un plano de referencia.
22
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Entre las antenas de abertura, las más desarrolladas tecnológicamente son:
de bocina, de reflector y de bocina parabólica.
1.9 TECNOLOGÍAS DE TRANSMISIÓN
A la hora de enviar señales radioeléctricas, disponemos de varias
alternativas de transmisión, en función de la banda de frecuencia utilizada, los
infrarrojos y la radiofrecuencia.
Los sistemas de transmisión por infrarrojos se caracterizan por el empleo de
frecuencias muy altas, justo por debajo del rango de frecuencias de la luz visible,
para el transporte de información. Los infrarrojos tienen una característica de
propagación muy particular, ya que no pueden pasar a través de objetos opacos y
se reflejan en determinadas superficies. Las longitudes de onda de operación se
sitúan alrededor de los 8580-950 nm, es decir, a una frecuencia de emisión
comprendida entre los 315 Ghz y los 352 Ghz. Los sistemas que funcionaran
mediante infrarrojos se clasifican según el Angulo de apertura con el que se emite
la información en el emisor en:
Sistemas de corta apertura, de haz dirigido o de visibilidad directa que
funciona de manera similar a los mandos a distancia de los aparatos de televisión.
Esto supone que el emisor y el receptor tienen que estar orientados
adecuadamente antes de que empiece a transmitirse la información (sistemas de
visión directa o LOS, Line-Of-Sight).
Sistemas de gran apertura, reflejados o de difusión que radian tal y como lo
haría una bombilla, permitiendo, el intercambio de información en un rango más
amplio. Esta tecnología se aplica típicamente en entornos de interior para
implementar enlaces punto a punto de corto alcance (conexión de los PC como
23
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
impresoras, teléfonos móviles, PDA, etc.) o redes locales en entornos muy
localizados.
Figura 1.9 Cono de apertura
En cuanto a los sistemas de radiofrecuencia, encontramos dos tipos. En
primer lugar, estas las tecnologías de banda estrecha en las que se transmite y
recibe en una banda de frecuencia los más reducidas posible. Requieren de una
sintonización muy precisa tanto del emisor como del receptor con fin de evitar las
interferencias para lo cual un filtro en el receptor de radio se encarga de dejar
pasar únicamente la señal esperada en la frecuencia o frecuencias asignadas. La
señal atraviesa sin dificultad las paredes y los obstáculos. Se utilizan en redes de
sensores o redes de corto alcance como Zigbee.
Sin embargo, existen aplicaciones en las que las características de la
información a transmitir requieren de mayor ancho de banda, en este caso, es
necesaria una tecnología de4 transmisión que proporciones, por una parte,
robustez frente a interfaces y, por otra, capacidad para absorber los datos de gran
número de usuarios y garantizar un cierto nivel de confiabilidad. Con estos
objetivos surgieron las técnicas de espectro ensanchado, empleadas por la mayor
parte de los sistemas, con los cuales se consume más ancho de banda pero la
señal es mas fácil de detectar. El receptor conoce los parámetros de la señal que
se ha difundido. En caso de no estar sintonizado correctamente, la señal aparece
como ruido de fondo. Como veremos, hay dos tipos de tecnologías d espectro
ensanchado; el salto en frecuencia y la secuencia directa.
24
rdr
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
La elección de una u otra dependerá, el ultima instancia, de los
requerimientos del sistema aunque, en general, las técnicas de banda estrecha se
dejan para aplicaciones industriales de corto alcance, las comunicaciones de
espectro ensanchado para redes de banda ancha y redes WLAN y finalmente, los
infrarrojos para enlaces punto a punto en aplicaciones de interconexión en las que
exista visión directa entre los dos extremos como es el caso de la conexión de
periféricos a un ordenador.
1.10 MÚLTIPLEXACIÓN
La múltiplexación es la transmisión simultánea de varios canales de
información separados en el mismo circuito de comunicación sin interferirse entre
sí. Para la comunicación de voz, esto significa dos o más canales de voz en una
sola portadora. Para los sistemas telefónicos significa muchos canales en un sólo
par de cables o en una sola línea de transmisión coaxial. La transmisión
simultánea puede llevarse a cabo por división de tiempo o por división de
frecuencia.
1.10.1 Múltiplexación por División de Tiempo
La múltiplexación por división de tiempo (MDT) es un medio de transmitir
dos o más canales de información en el mismo circuito de comunicación utilizando
la técnica de tiempo compartido. Se adapta bien a las señales binarias que
consisten en impulsos que representan un dígito binario 1 o 0. Estos impulsos
pueden ser de muy corta duración y sin embargo, son capaces de transportar la
información deseada; por tanto, muchos de ellos pueden comprimirse en el tiempo
disponible de un canal digital. La señal original puede ser una onda analógica que
25
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
se convierte en forma binaria para su transmisión, como las señales de voz de una
red telefónica, o puede estar ya en forma digital, como los de un equipo de datos o
un ordenador.
La múltiplexación por división de tiempo es un sistema sincronizado que
normalmente implica una MIC. En la Figura puede verse un diagrama simplificado
del sistema MDT con tres canales de información simultáneos. Las señales
analógicas se muestrean y la MAI los transforma en impulsos, y después la MIC
codifica los muestreos. Después los muestreos se transmiten en serie en el mismo
canal de comunicación, uno cada vez. En el receptor, el proceso de
desmodulación se sincroniza de manera que cada muestreo de cada canal se
dirige a su canal adecuado. Este proceso de denomina múltiplex o transmisión
simultánea, porque se utiliza el mismo sistema de transmisión para más de un
canal de información, y se llama MDT porque los canales de información
comparten el tiempo disponible.
Una ventaja de la MDT es que puede utilizarse cualquier tipo de modulación
por impulsos. Muchas compañías telefónicas emplean este método en sus
sistemas MIC/MDT.
1.10.2 Múltiplexación por División de Frecuencia
Al igual que la MDT, la múltiplexación por división de frecuencia (MDF) se
utiliza para transmitir varios canales de información simultáneamente en el mismo
canal de comunicación. Sin embargo, a diferencia de la MDT, la MDF no utiliza
modulación por impulsos. En MDF, el espectro de frecuencias representado por el
ancho de banda disponible de un canal se divide en porciones de ancho de banda
más pequeños, para cada una de las diversas fuentes de señales asignadas a
cada porción. Explicado de forma sencilla, la diferencia entre los dos sistemas es
ésta: En MDF, cada canal ocupa continuamente una pequeña fracción del
26
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
espectro de frecuencias transmitido; en MDT, cada canal ocupa todo el espectro
de frecuencias durante sólo una fracción de tiempo.
1.10.3 Multiplexado Estadístico o Asíncrono.
Es un caso particular de la múltiplexación por división en el tiempo.
Consiste en no asignar espacios de tiempo fijos a los canales a transmitir, sino
que los tiempos dependen del tráfico existente por los canales en cada momento.
Sus características son:
Tramos de longitud variables.
Muestreo de líneas en función de su actividad.
Intercala caracteres en los espacios vacíos.
Fuerte sincronización.
Control inteligente de la transmisión.
Los multiplexores estáticos asignan tiempos diferentes a cada uno de los
canales siempre en función del tráfico que circula por cada uno de estos canales,
pudiendo aprovechar al máximo posible el canal de comunicación.
1.11 MODULACIÓN
La modulación nace de la necesidad de transportar una información a
través de un canal de comunicación a la mayor distancia y menor costo posible.
Este es un proceso mediante el cual dicha información (onda moduladora) se
inserta a un soporte de transmisión.
Para la transmisión de datos digitales, existen principalmente tres métodos
de modulación que permiten alterar el ancho de banda sobre el cual será enviada
27
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
la información. Estos tres métodos son muy empleados debido a su relativa
sencillez y a que son ideales para la transmisión de datos digitales, ellos son, el
ASK (Amplitude Shift Keying), FSK (Frequency Shift Keying) y PSK (Phase Shift
Keying).
1.11.1 Modulación ASK
El ASK que es el método que nos atañe en especial, es una forma de
modulación mediante la cual la amplitud de la señal está dada por la ecuación
Ecuación 1: Corrimiento en Amplitud
ASK entonces, puede ser descrito como la multiplicación de la señal de
entrada f(t)=A (valido en sistemas digitales) por la señal de la portadora. Además,
esta técnica es muy similar a la modulación en amplitud AM, con la única
diferencia que para este caso m=0.
Figura 1.10 Modulación por corrimiento en la amplitud (Amplitude shift keying)
28
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
En el dominio de la frecuencia, tal y como ya lo habíamos mencionado, el
efecto de la modulación por ASK permite que cualquier señal digital sea adecuada
para ser transmitida en un canal de ancho de banda restringida sin ningún
problema, además al estar en función de una sola frecuencia, es posible controlar
e incluso evitar los efectos del ruido sobre la señal con tan sólo utilizar un filtro
pasabandas, o bien, transmitir más de una señal independientes entre sí sobre un
mismo canal, con tan sólo modularlas en frecuencias diferentes. Esto queda
demostrado gráficamente si observamos la representación de la figura 2.
Figura 1.11 Análisis de la modulación por corrimiento en la amplitud.
1.11.2 Modulación FSK
La modulación FSK puede considerarse como una forma de modulación en
ángulo con envolvente constante, similar a la modulación en frecuencia
convencional con la diferencia de que la moduladora es un tren de pulsos binarios
con amplitud que varía entre dos niveles discretos de voltaje, en lugar de una
forma de onda con variación continua. Así, la expresión general para la señal FSK
binaria es:
Donde:
m(t)=onda FSK binaria.
Ac= amplitud pico de la portadora sin modular.
c=frecuencia en radianes/seg. de la portadora.
Sm(t)=señal modulante digital binaria.
=cambio de la frecuencia en la salida.
29
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Como puede verse en esta ecuación, en FSK binario la amplitud Ac de la
portadora se mantiene constante con la modulación pero la frecuencia c de la
portadora cambia en la cantidad ±/2. Este cambio de frecuencia es proporcional
a la amplitud y polaridad de la moduladora binaria. Por ejemplo, si el uno binario
fuera 1 volt y el cero binario es -1 volt se producen los cambios de frecuencia de
+/2 y -/2, respectivamente. Además la rapidez o velocidad a la que cambia la
frecuencia de la portadora es igual a la velocidad de cambio de la señal binaria de
entrada Sm(t) (o sea, la tasa de bits de entrada). En consecuencia, la frecuencia de
la portadora de salida se desvía entre c+/2 y c-/2 a la velocidad de fm.
Figura 1.12 Modulación por corrimiento en la frecuencia (Frecuency Shift Keying)
1.11.3 Modulación BPSK
En esta modulación se tiene como resultados posibles dos fases de salida
para la portadora con una sola frecuencia. Una fase de salida representa un 1
lógico y la otra un 0 lógico. Conforme la señal digital de entrada cambia de estado,
la fase de la portadora de salida se desplaza entre dos ángulos que están 180°
fuera de fase.
30
0 1 0 1 0 1 0 1
fe fm fe fm fe fm fe fm
Entrada binaria
Salida analógica
fm = frecuencia de Marca fe = frecuencia de espacio
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
La siguiente muestra un diagrama de bloques simplificado de un modulador
de BPSK. La señal codificada ingresa a un multiplexor el mismo que conmuta la
fase de la señal portadora, dependiendo de la condición lógica de la entrada
digital, la portadora se transfiere a la salida, ya sea en fase o 180° fuera de fase,
con el oscilador de la portadora de referencia.
Figura 1.12 Diagrama a bloque de un modulador BPSK
El espectro de salida de un modulador de BPSK es, sólo una señal de doble
banda lateral con portadora suprimida, donde las frecuencias laterales superiores
e inferiores están separadas de la frecuencia de la portadora por un valor igual a la
mitad de la razón de bit. En consecuencia, el mínimo ancho de banda requerido,
para permitir el peor caso de la señal de salida del BPSK es igual a la razón de bit
de entrada. La siguiente figura muestra la fase de salida contra la relación de
tiempo para una forma de onda BPSK.
Figura 1.13 Modulación BPSK
31
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
El esquema siguiente muestra el diagrama de bloques de un receptor de
BPSK.
Figura 1.14 Modulación en el receptor BPSK
La señal de entrada puede ser +cos(wt) ó –cos(wt). El circuito de
recuperación detecta y regenera una señal de portadora, tanto en frecuencia como
en fase, con la portadora del transmisor original.
El modulador balanceado es un detector de producto; la salida es el
producto de las dos entradas (la señal de BPSK y la portadora recuperada).
Debido a que se tiene como posibles salidas las señales cos(wt) y –(coswt),
entonces al pasar por el detector de producto se tendrá los siguientes resultados:
cos2(wt) = ½ + ½ cos(2wt)
cos2(wt) = - ½ - ½ cos(2wt)
Como se necesita solo la parte continua entonces se utiliza un filtro pasa-
bajas (LPF) el mismo que separa los datos binarios recuperados de la señal
demodulada compleja.
32
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
1.12 ACCESO AL MEDIO
El objetivo de las técnicas de acceso al medio es evitar que las
informaciones de los usuarios interfieran entre si.
La primera de estas técnicas fue FDMA. El ancho de banda del canal se
divide en porciones de menor ancho de banda y se asigna cada porción a un
usuario para su uso exclusivo durante todo el tiempo que necesite (ver figura).
Tiene el inconveniente de que se requieren bandas de guarda en las que no se
envíe información par evitar así las diferencias.
La solución viene de la mano de TDMA (Time Domain Multiplex Access) en
las que el ancho de banda se asigna completamente a cada usuario durante
ciertas ranuras temporales, ya que lo que se divide es el tiempo de acceso al
canal (ver figura).
Tiempo
Código
Frecuencia
Figura 1.15 Acceso al medio FDMA
33
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Figura 1.16 Acceso al medio TDMA
Sin embargo, la técnica de acceso más empleada en las redes radio es
CDMA. A cada usuario se le asigna un código binario distinto de manera que
todos los usuarios pueden ocupar la misma banda. Para identificar la señal
procedente de cada uno se realiza una correlación con su código tras la que se
obtendrá la señal deseada. Este tipo de acceso es el que se basan las técnicas de
espectro ensanchado.
CÓDIGO
FRECUENCIA
TIEMPO
34
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
1.13 ESPECTRO ENSANCHADO
El espectro ensanchado (también llamado espectro esparcido, espectro
disperso, spread spectrum o SS) es una técnica por la cual la señal transmitida se
ensancha a lo largo de una banda muy ancha de frecuencias, mucho más amplia,
de hecho, que el ancho de banda mínimo requerido para transmitir la información
que se quiere enviar. No se puede decir que las comunicaciones mediante
espectro ensanchado son medios eficientes de utilización del ancho de banda. Sin
embargo, rinden al máximo cuando se los combina con sistemas existentes que
hacen uso de la frecuencia. La señal de espectro ensanchado, una vez
ensanchada puede coexistir con señales en banda estrecha, ya que sólo les
aportan un pequeño incremento en el ruido. En lo que se refiere al receptor de
espectro ensanchado, él no ve las señales de banda estrecha, ya que está
escuchando un ancho de banda mucho más amplio gracias a una secuencia de
código preestablecido.
Frecue
ncia
Figura 1.17 Acceso al medio CDMA
Tiempo
Código
Frecuencia
35
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Podemos concluir diciendo que todos los sistemas de espectro ensanchado
satisfacen dos criterios:
El ancho de banda de la señal que se va a transmitir es mucho mayor
que el ancho de banda de la señal original.
El ancho de banda transmitido se determina mediante alguna función
independiente del mensaje y conocida por el receptor.
1.13.1 Espectro Ensanchado por Secuencia Directa
Sistemas de secuencia directaLa secuencia directa es quizás uno de los sistemas de espectro
ensanchado más ampliamente conocido, utilizado y relativamente sencillo de
implementar. Una portadora en banda estrecha se modula mediante una
secuencia pseudoaleatoria (es decir, una señal periódica que parece ruido pero
que no lo es). Para la secuencia directa, el incremento de ensanchado depende de
la tasa de bits de la secuencia pseudoaleatoria por bit de información. En el
receptor, la información se recupera al multiplicar la señal con una réplica
generada localmente de la secuencia de código.
36
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Figura 1.18 Comparación de una señal en banda estrecha con una señal modulada en secuencia directa. La señal en banda estrecha se suprime al
transmitir el espectro ensanchado
1.13.2 Espectro Ensanchado por Salto en Frecuencia
Sistemas de salto de frecuenciaEn los sistemas de salto de frecuencia, la frecuencia portadora del
transmisor cambia (o salta) abruptamente de acuerdo con una secuencia
pseudoaleatoria. El orden de las frecuencias seleccionadas por el transmisor viene
dictado por la secuencia de código. El receptor rastrea estos cambios y produce
una señal de frecuencia intermedia constante.
37
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Figura 1.19 Un ejemplo de señal modulada en espectro ensanchado mediante saltos de frecuencia.
1.13.3 Espectro Ensanchado por Salto Temporal
Sistemas de salto temporalUn sistema de salto temporal es un sistema de espectro ensanchado en el
que el periodo y el ciclo de trabajo de una portadora se varían de forma
pseudoaleatoria bajo el control de una secuencia pseudoaleatoria. El salto
temporal se usa a menudo junto con el salto en frecuencia para formar un sistema
híbrido de espectro ensanchado mediante acceso múltiple por división de tiempo
(TDMA).
38
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
En la siguiente figura se muestra el espectro ensanchado por Salto
Temporal.
Figura 1.20 Espectro ensanchado mediante salto temporal. Cada secuencia consta de k bits de datos y el tiempo exacto en el que se transmite cada secuencia
viene determinado por una secuencia pseudoaleatoria
1.13.4 Espectro Ensanchado en Sistemas de Frecuencia Modulada Pulsada
Sistemas de frecuencia modulada pulsada (o Chirping)Se trata de una técnica de modulación en espectro ensanchado menos
común que las anteriores, en la que se emplea un pulso que barre todas las
frecuencias, llamado chirp, para expandir la señal espectral. El chirping, como
también es conocido, suele usarse más en aplicaciones con radares que en la
comunicación de datos.
Sistemas híbridosLos sistemas híbridos usan una combinación de métodos de espectro. Dos
combinaciones comunes son secuencia directa y salto de frecuencia. La ventaja
de combinar estos dos métodos está en que adopta las características que no
están disponibles en cada método por separado.
39
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
1.13.5 Ventajas y Desventajas del Espectro Ensanchado
El espectro ensanchado tiene muchas propiedades únicas y diferentes que
no se pueden encontrar en ninguna otra técnica de modulación. Para verlo mejor,
se listan debajo algunas ventajas y desventajas que existen en los sistemas
típicos de espectro ensanchado:
Ventajas Resiste todo tipo de interferencias, tanto las no intencionadas como las
malintencionadas (más conocidas con el nombre de jamming), siendo
más efectivo con las de banda estrecha.
Tiene la habilidad de eliminar o aliviar el efecto de las interferencias
multisenda.
Se puede compartir la misma banda de frecuencia con otros usuarios.
Confidencialidad de la información transmitida gracias a los códigos
pseudoaleatorios (múltiplexación por división de código).
Desventajas Ineficiencia del ancho de banda.
La implementación de los circuitos es en algunos casos muy compleja.
40
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
1.14 COMUNICACIONES MÓVILES
Desde el principio de las telecomunicaciones dos han sido las opciones
principales para llevar a cabo una comunicación: con o sin hilos, por cable o por el
aire. En realidad ambas pueden participar en un mismo proceso comunicativo. Por
ejemplo la transmisión de un evento deportivo por televisión, en el que una cámara
recoge la señal y la transmite, generalmente por cable, a una unidad móvil
encargada de comunicarse vía radio con el centro emisor, que a su vez se
comunica por cable con una antena emisora que la distribuye por el aire a la zona
que cubra la cadena de televisión. De todas formas, en este caso se trata
fundamentalmente de una transmisión vía radio, pues es así como se distribuye la
señal que previamente ha producido la emisora (captar la señal con la cámara,
llevarla al centro emisor y procesarla).
Las comunicaciones móviles se centran, en las que emisor o receptor están
en movimiento. La movilidad de los extremos de la comunicación excluye casi por
completo la utilización de cables para alcanzar dichos extremos. Por tanto utiliza
básicamente la comunicación vía radio. Esta se convierte en una de las mayores
ventajas de la comunicación vía radio: la movilidad de los extremos de la
conexión. Otras bondades de las redes inalámbricas son el rápido despliegue y el
ancho de banda que proporcionan. Sin embargo el cable es más inmune a
amenazas externas, como el ruido o las escuchas no autorizadas, y no tiene que
competir con otras fuentes por el espacio radioeléctrico, bien común más bien
escaso. Dos, tres y más cables pueden ser tendidos a lo largo de la misma zanja,
y tomando las medidas adecuadas, no han de producirse interferencias. Imaginar
cuatro o cinco antenas apuntando en la misma dirección.
Históricamente la comunicación vía radio se reservaba a transmisiones uno
a muchos, con grandes distancias a cubrir. También era útil en situaciones en las
que la orografía dificultase en exceso el despliegue de cables. Fundamentalmente
41
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
se utilizaba para transmitir radio y TV. Por el contrario, las comunicaciones
telefónicas utilizaban cables. En cuanto a las comunicaciones móviles, no
aparecen a nivel comercial hasta finales del siglo XX. Los países nórdicos, por su
especial orografía y demografía, fueron los primeros en disponer de sistemas de
telefonía móvil, eso sí, con un tamaño y unos precios no muy populares.
Radiobúsquedas, redes móviles privadas o Trunking, y sistemas de telefonía móvil
mejorados fueron el siguiente paso. Después llegó la telefonía móvil digital, las
agendas personales, miniordenadores, laptops y un sinfín de dispositivos
dispuestos a conectarse vía radio con otros dispositivos o redes.
Servicio de Comunicaciones MóvilesLos más extendidos son la telefonía móvil terrestre, la comunicación móvil
por satélite, las redes móviles privadas, la radiomensajería, la radiolocalización
GPS, las comunicaciones inalámbricas y el acceso a Internet móvil.
Telefonía Móvil TerrestreLa telefonía móvil terrestre utiliza estaciones terrestres. Éstas se encargan
de monitorizar la posición de cada terminal encendido, pasar el control de una
llamada en curso a otra estación, enviar una llamada a un terminal suyo,... Cada
estación tiene un área de cobertura, zona dentro de la cuál la comunicación entre
un terminal y ésta se puede hacer en buenas condiciones. Las zonas de cobertura
teóricamente son hexágonos regulares o celdas. En la práctica, toman muy
distintas formas, debido a la presencia de obstáculos y a la orografía cambiante de
la celda. Además se solapan unas con otras. Es por esto, que cuando un móvil
está cerca del límite entre dos celdas, puede pasar de una a otra, en función de
cual de las dos le ofrezca más nivel de señal, y esto puede suceder incluso
durante el transcurso de una llamada sin que apenas se perciba nada.
42
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Los primeros sistemas de telefonía móvil terrestre, TACS, AMPS, NMT,
TMA, NAMT,... o de primera generación, eran analógicos. Los terminales eran
bastante voluminosos, la cobertura se limitaba a grandes ciudades y carreteras
principales, y sólo transmitían voz. La compatibilidad entre terminales y redes de
diferentes países no estaba muy extendida. NMT se utiliza en los países nórdicos,
AMPS y TACS.
Cada estación trabaja con un rango de frecuencias, que delimita el número
máximo de llamadas simultáneas que puede soportar, puesto que a cada llamada
se le asigna un par de frecuencias diferente: una para cada sentido de la
comunicación. Esto se denomina FDM, o multiplexación por división en la
frecuencia. Las celdas colindantes no pueden utilizar las mismas frecuencias, para
que no se produzcan interferencias. Pero las celdas que están algo más alejadas
si que podrían reutilizar estas frecuencias. Y esto es lo que se hace. Se parte de
una determinada cantidad de frecuencias disponibles. Luego, teniendo en cuenta
la densidad estimada de llamadas por área, tanto el tamaño de la celda, como las
frecuencias por celda y la reutilización de frecuencias serán determinadas.
Una alternativa para incrementar el número de llamadas servidas es la
sectorización, método por el cuál se instalan varias antenas por estación, cada
una de las cuáles cubre un sector. Por ejemplo, si instalamos tres antenas, cada
una se ocuparía de un sector de 120°.
Después aparecen los sistemas de segunda generación, GSM, CDMA,
TDMA, NADC, PDC,... que son digitales. El tamaño de los terminales se hace
cada vez más pequeño, las coberturas se extienden, y se empiezan a transmitir
datos, aunque a velocidades muy pequeñas. Introduce el envío de mensajes SMS,
hoy tan de moda. La compatibilidad entre las distintas redes nacionales empieza a
mejorar. GSM se implanta en Europa y en otros países del resto del mundo.
TDMA y CDMA en EEUU, mientras que PDC en Japón.
43
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
En GSM, cada frecuencia puede transmitir varias conversaciones. Esto se
consigue mediante la TDM, o multiplexación por división en el tiempo. El tiempo de
transmisión se divide en pequeños intervalos de tiempo. Cada intervalo puede ser
utilizado por una conversación distinta. Además, una misma conversación se lleva
a cabo en intervalos de distintas frecuencias, con lo que no se puede asociar una
llamada a una frecuencia. De este modo, si una frecuencia se ve afectada por una
interferencia, una conversación que utilice esta frecuencia, sólo observará
problemas en los intervalos pertenecientes a dicha frecuencia. Esto se denomina
TDMA. En los sistemas CDMA, acceso con multiplexación por división de código,
lo que se hace es que cada llamada utiliza un código que le diferencia de las
demás. Esto permite aumentar el número de llamadas simultáneas o la velocidad
de transmisión, lo que se hace necesario ante los crecientes requerimientos de la
telefonía móvil.
En la actualidad, se están empezando a desplegar sistemas de lo que se ha
denominado generación 2,5 (HSCSD, GPRS, EDGE) que harán de puente entre
los de segunda generación y la telefonía móvil de tercera generación (la UMTS).
Esta última responde a un intento de estandarizar las comunicaciones móviles a
nivel mundial, aunque ya están empezando a surgir pequeñas diferencias entre
EEUU y el resto. Ofrecerá grandes velocidades de conexión, por lo que se espera
que se convierta en la forma más habitual de acceso a Internet. Permitirá la
transmisión de todo tipo de comunicaciones: voz, datos, imágenes, vídeo y radio.
Telefonía Móvil Vía SatéliteEn este caso las estaciones están en los satélites. Estos suelen ser de
órbita baja. Su cobertura prácticamente cubre todo el planeta. Esta es la principal
ventaja que presentan frente a la telefonía móvil terrestre. Las desventajas son de
mucho peso: mayor volumen del terminal a utilizar y precio de las llamadas y
terminales. Dos son los operadores que ofrecen este servicio a nivel mundial:
Iridium y GlobalStar. El primero está a punto de comenzar el derribo de sus
44
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
satélites, debido a las astronómicas deudas que ha contraído.
Durante los últimos meses ha intentado encontrar un comprador que se hiciera
cargo de las deudas, e intentará sacar el negocio a flote, pero no ha encontrado a
nadie dispuesto a tomar semejante riesgo. Sigue ofreciendo unos servicios
mínimos a sus antiguos clientes, pero ya no realiza ningún tipo de actividad
comercial (publicidad, captación de clientes,...). Además recomienda a sus clientes
que busquen opciones alternativas a sus servicios, porque en cualquier momento
dejan de prestarlos. Su constelación de satélites de órbita baja consta de 66
unidades situadas a 780 Km de la Tierra. Utiliza tanto FDMA como TDMA.
Sin embargo, GlobalStar no tiene tantos problemas. La principal razón, sus
teléfonos se conectan a las redes terrestres si la cobertura de éstas lo permite, y si
no recurren a los satélites. De este modo, buena parte de las llamadas tienen un
coste asequible, mientras que las que se realizan a través de los satélites se
reducen a lo absolutamente imprescindible. Su constelación cuenta con 48
satélites de órbita baja situados a 1.414 Km de la Tierra. Utiliza CDMA, y cada
satélite tiene 16 sectores.
Otros sistemas que están a punto de empezar a operar, o que anuncian sus
servicios para los próximos años son ICO, Skybridge y Teledesic, que prestarán
otros servicios aparte del de telefonía, como acceso a Internet a alta velocidad,
radiobúsqueda.
Redes móviles privadasTambién conocido como radiocomunicaciones en grupo cerrado de
usuarios, es un servicio de telefonía móvil que sólo se presta a un colectivo de
personas, en una determinada zona geográfica (una ciudad, una comarca,...). El
funcionamiento es prácticamente idéntico al de las redes públicas, con pequeños
matices. Hay dos modalidades del servicio. En la primera cada grupo de usuarios,
y sólo ellos, utiliza una determinada frecuencia. En la segunda el sistema se
45
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
encarga de asignar las frecuencias libres entre los diferentes grupos, por lo que no
hay una correspondencia grupo-frecuencia. Entre los primeros sistemas podemos
destacar EDACS, controlado por un equipo fabricado por Ericsson, muy utilizado
por bomberos, equipos de salvamento, policías, ambulancias,... Es un sistema
muy seguro, capaz de establecer la comunicación en condiciones muy adversas.
Los segundos se denominan sistemas Trunking, y su funcionamiento es muy
parecido al de la telefonía móvil automática (TMA), uno de los primeros sistemas
analógicos de telefonía móvil pública. La mayor diferencia es que cuando no hay
un canal libre para establecer una comunicación, TMA descarta la llamada y el
usuario debe reintentarlo después, mientras que las redes Trunking gestionan
estas llamadas, estableciendo una cola de espera, asignando prioridades
diferentes a cada llamada. Dos de los sistemas Trunking más populares son
Taunet, que es analógico, y Tetra, que es digital. Este último es el resultado de un
estándar europeo, y su equivalente estadounidense es el APCO25. Ofrecen otras
posibilidades, aparte de la comunicación vocal, como envío de mensajes cortos,
transmisión de datos, conexión a redes telefónicas públicas.
46
COMUNICACIONES RADIOELÉCTRICAS
Conclusiones
Al inicio de este capitulo vimos como fue que nacieron las comunicaciones
inalámbricas y sobretodo por que fue necesario que existiera este tipo de
comunicaciones. Y es que las redes cableadas son muy complicadas de
implementar, además del hecho de que no son muy flexibles una vez que han sido
puestas en operación.
Sin embargo las comunicaciones inalámbricas aun no están en condiciones
de sustituir a las redes cableadas, ya que a pesar de las grandes ventajas que
estas presentan (como lo es el hecho de que el usuario no esta confinado a un
punto en especifico dentro de la red, o que es relativamente fácil agregar un nuevo
usuario), sus velocidades de transmisión están limitadas en gran medida por la
tecnología de la cual se valen; además igualmente se encuentran limitadas en su
cobertura, ya que como se sabe una señal radioeléctrica se atenúa rápidamente
con la distancia, o el hecho de que son seriamente contaminadas por otras fuentes
de transmisión.
Es por este hecho que se ha estudiado con gran profundidad las
características que permiten una mejor transmisión de señales, como son: el tipo
de modulación utilizada, la construcción de antenas con una mayor ganancia o la
creación de sistemas más eficientes en cuanto a seguridad informática se refiere.
Pero no es suficiente con poder transmitir una señal de un punto a otro, es
necesario contar con un sistema de comunicación confiable ante el ruido que
pueda existir en un área determinada, además del hecho de que es necesario
contar con un sistema multiplexor y demultiplexor, ya que en las comunicaciones
radioeléctricas no es posible tener sincronizados tanto el transmisor como el
receptor, para permitir la fácil identificación de las diferentes señales transmitidas
por un mismo canal.
47
CAPITULO 2
2TELEFONÍA MÓVIL
Objetivo:
Describir el funcionamiento de las tecnologías actuales de telefonía móvil,
incluyendo la tecnología celular, además se tratara de hacer una comparación
entre estas tecnologías mostrando las ventajas y desventajas que cada una
muestra.
48
TELEFONÍA MÓVIL
INTRODUCCIÓN A LA TELEFONÍA MÓVIL
La telefonía móvil básicamente está formada por dos grandes partes: Una
red de comunicaciones (o red de telefonía móvil) y los terminales (o teléfonos
celulares) que permiten el acceso a dicha red.
Figura 2.1 Arquitectura de un Sistema de Telefonía Móvil Celular
El teléfono móvil o celular, fue inventado en 1947 por la empresa
norteamericana AT&T, pero no se hizo portátil de manera práctica hasta 1983
cuando Motorola culmina el proyecto DynaTAC 8000X, el que es presentado
oficialmente en 1984. El DynaTAC 8000X pesaba cerca de 1Kg., de 13x3.5x1.75
49
Otras Redes
EIR AuC OMC
OSS
MSC
VLR
HLR
GMSC
N
SS
BTS
BTS
BTS
BSS
BSC
BTS
BTS
BTS
BSS
BSC
TELEFONÍA MÓVIL
pulgadas, rendía una hora de comunicación y ocho horas en stand-by, con
pantalla de LED.
El teléfono celular o móvil, consiste en un dispositivo de comunicación
electrónico con las mismas capacidades básicas de un teléfono de línea telefónica
convencional. Además de ser portátil es inalámbrico al no requerir cables
conductores para su conexión a la red telefónica.
La red de telefonía móvil o celular consiste en un sistema telefónico en el
que mediante la combinación de una red de estaciones transmisoras-receptoras
de radio (estaciones base) y una serie de centrales telefónicas de conmutación, se
posibilita la comunicación entre terminales telefónicos portátiles (teléfonos
móviles) o entre terminales portátiles y teléfonos de la red fija tradicional.
2.1 TELEFONÍA CELULAR
2.1.1 Funcionamiento
El empleo de la palabra celular referido a la telefonía móvil, deriva del
hecho de que las estaciones base, que enlazan vía radio los teléfonos móviles con
los controladores de estaciones base, están dispuestas en forma de una malla,
formando células o celdas (teóricamente como un panal de abejas). Así, cada
estación base está situada en un nudo de estas células y tiene asignado un grupo
de frecuencias de transmisión y recepción propio. Como el número de frecuencias
es limitado, con esta disposición es posible reutilizar las mismas frecuencias en
otras células, siempre que no sean adyacentes, para evitar interferencia entre
ellas.
A pesar de que ambas formas (móvil y celular) son correctas,
probablemente sería más apropiado referirse a un teléfono celular, que a un móvil.
50
TELEFONÍA MÓVIL
Después de todo, un teléfono inalámbrico también es móvil, en el sentido estricto
de la palabra: se puede mover. En cambio, celular no tiene ambigüedades. No
obstante, el término móvil es de empleo generalizado en España, mientras que
celular se emplea ampliamente en Hispanoamérica.
Básicamente existen dos tipos de redes de telefonía móvil:
Red de telefonía móvil analógica (TMA). Como su propio nombre lo
indica, en esta red la comunicación se realiza mediante señales vocales
analógicas tanto en el tramo radioeléctrico como en el terrestre. En su
primera versión funcionó en la banda radioeléctrica de los 450 MHz,
trabajando posteriormente en la banda de los 900 MHz.
Red de telefonía móvil digital. En esta red la comunicación se realiza
mediante señales digitales, lo que permite optimizar tanto el
aprovechamiento de las bandas de radiofrecuencia como la calidad de
transmisión. Su exponente más significativo en el ámbito público es el
estándar GSM y su tercera generación, UMTS. Funciona en las bandas
de 850/900 y 1800/1900 MHz. En 2004 llegó a los 1000 millones de
usuarios.
Hay otro estándar digital, presente en América y Asia, denominado CDMA.
En el ámbito privado y de servicios de emergencias como policía, bomberos y
servicios de ambulancias se utilizan los estándares Tetrapol y TErrestrial Trunked
RAdio (TETRA) en diferentes bandas de frecuencia.
2.1.2 Evolución y Convergencia Tecnológica
La evolución del teléfono celular ha permitido disminuir su tamaño y peso,
desde ese primer teléfono móvil en 1973 que pesaba 780 gramos, a los actuales
más compactos y con mayores prestaciones de servicio. El desarrollo de baterías
más pequeñas y de mayor duración, pantallas más nítidas y de colores, la
51
TELEFONÍA MÓVIL
incorporación de software más amigable, hacen del teléfono celular un elemento
apreciado en la vida moderna.
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
700000
1996 1997 1998 1999 2000 2001
Abo
nado
s x
1000
analogica
GSM
CDMA
TDMA
PDC/PHS
Total
Figura 2.2 Evolución de la telefonía celular.
El avance de la tecnología ha hecho que estos aparatos incorporen
funciones que no hace mucho parecían futuristas, como juegos, reproducción de
música MP3, correo electrónico, SMS, agenda electrónica PDA, fotografía digital,
navegación por Internet y hasta TV digital. Las compañías operadoras de telefonía
celular ya están pensando nuevas aplicaciones para este pequeño aparato que
nos acompaña a todas partes. Algunas de esas ideas son: medio de pago,
localizador e identificador de personas.
52
TELEFONÍA MÓVIL
2.2 GLOBAL SYSTEM FOR MOBILE COMMUNICATION (GSM)
Gran protagonista de la Comunicación de los años '90, supera las barreras
nacionales y llega al extranjero. Por tanto si nuestros compromisos de trabajo
abarcan a menudo los límites nacionales, el móvil GSM es nuestro compañero de
viaje ideal.
Hasta hace poco podía uno disfrutar de la libertad de comunicación
únicamente dentro del territorio donde se había efectuado la suscripción. Los
estándares técnicos, diferentes de nación a nación, incompatibles entre sí,
impedían recibir llamadas o hacerlas fuera de la propia nación. Hoy las barreras
de comunicación han sido abatidas, con la disposición el Servicio Radiomóvil
Internacional GSM, basado en una tecnología digital de absoluta vanguardia.
El sistema de comunicación GSM, introducido en Italia a principios de
octubre de 1992, permite, en particular, efectuar Roaming Internacional o bien
hacer o recibir en el extranjero, llamadas como si se hicieran desde Italia. De
hecho, se han firmado acuerdos bilaterales que permiten a los Clientes de
Telefonía Celular GSM trasladarse con el propio equipo celular y continuar
disfrutando del servicio en diferentes países europeos y no europeos. En un
primer momento el servicio GSM se concibió como el estándar europeo para las
comunicaciones celulares digitales, pero se está convirtiendo, de hecho, en
estándar mundial. Otras 100 redes GSM se hicieron operativos en junio de 1996;
cada día en todo el mundo se realizan cerca de 30,000 contratos y se efectúan
cerca de 40 millones de llamadas. El aspecto "más espectacular" del sistema es
que gracias a una tecnología de absoluta vanguardia, con el GSM no es el equipo
celular el que contiene los datos del abonado, sino más bien "una tarjeta
inteligente" denominada SIM Card (Subscriber Identity Module), para insertar en el
aparato desde el que se desea llamar; la suscripción está en la tarjeta, no en el
equipo. En otras palabras, se puede llamar también, aunque no se tenga a mano
el propio aparato GSM, o bien en aquellos países que adopten el estándar GSM
53
TELEFONÍA MÓVIL
con frecuencias diferentes (DCS 1800, PCS 1900) es suficiente con tener un
equipo predispuesto para recibir la tarjeta compatible, es decir, un aparato con el
estándar GSM.
GSM: Arquitectura Base del NetworkLa arquitectura base del sistema GSM prevé cuatro subsistemas principales
cada uno de los cuales contiene un cierto número de unidades funcionales y están
interconectados con el otro mediante interfaces estándar. Los subsistemas
principales del network y los elementos que lo componen son:
MS (Mobile Station). La Estación Móvil es el terminal radiomóvil
transportado por el abonado. Está formada por el Mobile Equipment (el
equipo portátil GSM) y por el Subscriber Identity Module (tarjeta SIM),
una pequeña tarjeta dotada de memoria y microprocesador, que permite
identificar al abonado independientemente del terminal usado; y por
tanto la posibilidad de continuar recibiendo y efectuando llamadas y
utilizar todos los servicios subscriptos insertando la tarjeta SIM en un
equipo que no sea el propio.
Mobile Equipment: El Equipo Móvil está inequívocamente
identificado dentro de cualquier red GSM por el International Mobile
Equipment Identity (IMEI). El IMEI es un número de 15 cifras y tiene
la siguiente estructura: IMEI = TAC / FAC / SNR / sp
Donde:
TAC = Type Approval Code, determinado por el cuerpo central del
GSM (6 CIFRAS).
FAC = Final Assembly Code, identifica al fabricante (2 cifras).
SNR = Serial Number (6 cifras).
Sp = Cifra suplementaria de reserva (1 cifra).
54
TELEFONÍA MÓVIL
Los terminales GSM están subdivididos en cinco clases basándose
en la misma potencia con la que pueden transmitir sobre el
radiocanal, que varía desde un máximo de 20 watts a un mínimo de
0.8 watts. La siguiente tabla resume las características de estas
cinco clases.
CLASE POTENCIA MÁXIMA
TIPO
1 20 VEHICULAR2 8 PORTÁTIL3 5 PALMARIO4 2 PALMARIO5 0.8 PALMARIO
Tabla 2.1 Clases de potencia para el Movile Station
La potencia del MS determina la capacidad de ésta última para
alejarse de la estación transmisora/receptora (BTS) de la red y poder
seguir disfrutando del servicio.
Una peculiaridad de los MS está formada por la capacidad de variar
la potencia de emisión de la señal sobre el radiocanal de forma
dinámica en 18 niveles, con el fin de poder mantener en cada
momento la potencia de transmisión óptima, limitando así las
interferencias co-canal inducidas sobre las celdas adyacentes y por
tanto reduciendo los consumos del terminal. Estos dos últimos
aspectos están mejorados por el Discontinuos Transmit (DTX,
Trasmisión Discontinua) que inhibe la transmisión cuando el usuario
no habla, gracias a la función Voice Activity Detection (VAD,
Activación mediante detección de voz) que verifica la presencia o no
de actividad vocal. El aumento o la disminución de la potencia de la
señal transmitida le llega a la MS desde BSS que monitoriza
constantemente la calidad de comunicación.
55
TELEFONÍA MÓVIL
SIM (Subscriber Identity Module o Modulo de Identificación del
Suscriptor): Existen dos tipos de SIM Card, mientras que una es de
dimensiones similares a las de una tarjeta de crédito (ISO) preparada
principalmente para los radioteléfonos vehiculares; la otra es
pequeña como un sello preparado para los teléfonos palmarios
(Plug-In). Existe en todo caso un adaptador que permite transformar
una tarjeta SIM desde el formato Plug In al formato ISO. En la tarjeta
SIM se pueden memorizar números telefónicos asociados a
nombres, además de aquellos que se pueden memorizar en la
memoria del móvil. Esta tarjeta SIM dispone, además, de dos
códigos de seguridad el PIN y el PUK. El PIN es un código de cuatro
cifras, modificable por el abonado, sin el cual es imposible efectuar la
llamada. Si el código PIN (Personal Identity Number; Número de
Identidad Personal), se introduce erróneamente tres veces
consecutivas, la tarjeta se bloquea. En este caso es necesario utilizar
el código PUK (Personal Unblocking Key, Llave de Desbloqueo
Personal). Si también éste se escribiera erróneamente diez veces
consecutivas, la tarjeta se bloquea totalmente y será imprescindible
sustituirla. Otro elemento fundamental en el GSM es el uso de
tecnologías criptográficas a escala militar que ofrecen una absoluta
seguridad, desde la autentificación de la tarjeta, hasta la
conversación, nadie puede simular vía radio ser otro abonado ni
descifrar las conversaciones vía radio.
BSS (Base Station Sub-System). El Sistema de Estaciones Base se
ocupa del control de la conexión vía radio con el MS. Está compuesto
por una o más BTS y por un BSC. Estos elementos se comunican entre
si a través de una interfaz estandarizada tipo A-bis, con el fin de permitir
operaciones incluso entre componentes construidos por fabricantes
diferentes, además el BSC está conectado al MSC mediante una
interfaz tipo A.
56
TELEFONÍA MÓVIL
Base Transceiver Station: El Transreceptor de Estación Base aloja
todos los transreceptores que sirven una celda y que se interesan
por recibir y enviar información al radiocanal, abasteciendo una
interfaz física entre la MS y el BSC. EL BTS ejerce una serie de
funciones descritas a continuación:
Capacidad de gestionar canales Full Rate y Half Rate.
La gestión de la Antenna Diversity, es decir la utilización de dos
antenas de recepción para mejorar la calidad de la señal recibida;
las dos antenas reciben de forma independiente la misma señal y
están afectadas de distinto modo por el fading; la posibilidad de
que ambas antenas sean afectadas simultáneamente por un
fading profundo es muy pequeña.
Supervisión de la Relación de Ondas Estacionarias (ROS) en la
antena.
Frequency Hopping (FH): cambio de la frecuencia usada en un
radiocanal a intervalos regulares, con el fin de mejorar la calidad
del servicio a través de las distintas frecuencias.
Discontinuos Transmission (TDX) ya sea en el up-link como en el
down-link.
El Control Dinámico de la Potencia (DPC) del MS y de la BTS: el
BSC determina la potencia óptima con la que del MS y la BTS
deben transmitir sobre el radiocanal (explotando las mediciones
realizadas por MS y BTS), para mejorar la eficiencia espectral.
La gestión de los algoritmos de “clave”: la información de los
usuarios encriptada para garantizar al abonado una cierta
discreción sobre el canal de tráfico y el de señalización. El
proceso de encriptación sobre las informaciones transmitidas al
radiocanal debe ser realizado por la BTS; el algoritmo de
criptografía que debe utilizarse es comunicado a la BTS por la
57
TELEFONÍA MÓVIL
BSC en base a las indicaciones recibidas por la MSC y la clave
de encriptación única para cada usuario. Actualmente el estándar
GSM Fase II admite 8 algoritmos de clave
Monitorización de la conexión vía radio realizando mediciones
significativas sobre señales RF, mediciones que luego se envían
a la BSC con la finalidad de asegurar un elevado nivel de calidad
de la conexión.
Base Station Controller: La estación Base controladora gobierna los
recursos de radio para una o más BTS, controlando la conexión
entre las BTS y las MSC (centrales de conmutación que
proporcionan la conexión a la red física y a otras redes), y además
gestionando los canales de radio, la señal, el frequency hopping y los
handover.
En particular permite:
La gestión y configuración del radiocanal, para cada llamada
tiene que elegir la celda correcta y una vez en su interior
seleccionar el radiocanal más apto para efectuar la conexión.
La gestión de los handover sobre la base de las mediciones
recibidas por el BTS, decide cuando efectuar el handover, es
decir el cambio de celda cuando el usuario se desplaza durante
una conversación dentro del área de cobertura de su
competencia.
Funciones de transcodificación de los canales radio Full Rate (16
kbps) o Half rate (8 kbps) en canales a 64 kbps.
NSS (Network and Swiching Subsystem). El Sistema de Conmutación
realiza la conmutación de las llamadas entre redes móviles y la red fija o
hacia otras redes radiomóviles y se ocupa además de la supervisión de
la movilidad de los abonados.
58
TELEFONÍA MÓVIL
El NSS explica las funciones de conmutación para la conexión con otros
abonados de la red fija o móvil mediante la MSC y las funciones del
database, distribuidas en 4 nodos inteligentes (HLR, VLR, AUC, EIR)
para la identificación de los terminales y de los usuarios, la actualización
de su posición, la autenticación y conducción de las llamadas a un
abonado en roaming.
Mobile Switching Centre: La Central de Conmutación de Móviles
(MSC) es el elemento central del NSS. Se ocupa, basándose en las
informaciones recibidas desde el NLR y desde el VLR, de la
conducción (routing) y gestión de la señal de todas las llamadas
directas y provenientes desde varios tipos de redes, como PSTN,
ISDN, PLMN y PDN. Implementa además las funciones de gateway
con los otros componentes del sistema y de gestión de los procesos
de handover, conmutando las llamadas en curso entre BSC
diferentes o hacia otro MSC.
Dentro del servicio pueden estar presentes más MSC y cada una es
responsable de la gestión del tráfico de una o más BSS y desde el
momento en que los usuarios se trasladan por toda el área de
cobertura, para garantizar a cada uno un nivel de servicio constante,
los MSC tienen que encontrarse en situación de gestionar números
de usuarios variables en tipología además de en calidad.
Otras funciones fundamentales de los MSC se describen a
continuación:
Autenticación del que llama; la identificación de la MS que ha
efectuado la llamada es necesaria para determinar si el usuario
está habilitado para disfrutar del servicio.
59
TELEFONÍA MÓVIL
Confidencialidad acerca de la identidad del usuario: para
garantizar la confidencialidad acerca de la identidad de un
usuario en el radiocanal, aún estando ya todas las informaciones
criptografiadas, el sistema no transmite nunca el IMSI asignado al
usuario que ha ingresado a la red; sin embargo se le asigna el
Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI), que se asigna en el
momento de la llamada y tiene un significado temporal: crear la
correspondencia entre TMSI e IMSI es tarea del MSC y cuando el
móvil se desplaza a la location area controlada por otro MSC, se
le tiene que asignar un nuevo TMSI.
Proceso de handover: en la red GSM un usuario puede continuar
utilizando el servicio aunque atraviese durante la conversación
los límites de la celda en la que se encuentra. Se pueden verificar
dos casos:
1. La MS se traslada a una celda controlada siempre por el
mismo MSC; en este caso el proceso de handover es
gestionado por el mismo MSC.
2. La nueva celda a la que se traslada la MS está controlada por
otro MSC; en este caso el proceso de handover se produce
desde dos MSC basándose en las medidas de señal
monitorizadas por la BTS que reciben la MS.
Home Location Register (Registro de Abonados Locales). Cuando un
usuario hace una nueva petición de acceso a la red GSM, todas las
informaciones para su identificación se memorizan en la HLR. Tiene
la función de comunicar al VLR, que posteriormente veremos,
algunos datos relativos a los abonados, en el momento en que estos
se desplazan desde una Location Area a otra. Dentro del HLR los
abonados son identificados por el número:
60
TELEFONÍA MÓVIL
MSISDN = CC / NDC / SN
Donde:
CC = Country Code, prefijo internacional.
NDC = National Destination Code, prefijo nacional del abonado sin el
Cero.
SN = Subscriber Number, número que identifica al usuario móvil.
La HLR es una base de datos que puede ser única para todo el
network o bien distribuido en el sistema; se pueden por tanto tener
MSC sin los HLR, pero conectadas al de otras MSC. Cuando existen
más HLR, a cada uno de ellos se les asigna un área de numeración,
es decir un set de Mobile Station ISDN Number (MSISDN). El
MSISDN identifica unívocamente una suscripción de teléfono móvil
en el plano de numeración de la red telefónica conmutada pública
internacional.
El HLR está implementado en una workstation cuyas prestaciones
(memoria, procesadores, capacidad de los discos) son actualizables
cuando crece el número de abonados. Aquél contiene todos los
datos relativos a los abonados y en particular las informaciones que
están contenidas en él son:
Informaciones de tipo permanente:
La International Mobile Subscriber Identity (IMSI), que es la
información que identifica al abonado dentro de una cualquier
red GSM y que está contenido también en el interior de la
SIM.
El Mobile Station ISDN Number (MSISDN).
Los tipos de servicio subscriptos por el abonado a los cuales
tiene derecho a acceder (voz, servicio datos, SMS, eventuales
61
TELEFONÍA MÓVIL
bloqueos para llamadas internacionales, otros servicios
auxiliares).
Informaciones de tipo dinámico:
Posición corriente del MS, es decir la dirección del VLR en la
que está registrada.
El estado de eventuales servicios auxiliares.
Resumiendo las funciones implementadas por la HLR son:
Seguridad: diálogo con el AUC y el VLR.
Registro de la posición: diálogo con el VLR.
Costo de la llamada: diálogo con el MSC
Gestión de los datos del abonado: diálogo con el OMC y el VLR.
Gestión de los datos estadísticos: los datos recogidos se envían
al OMC.
Visitor Location Register. El Registro de Abonados Visitantes es una
base de datos que memoriza de modo temporal los datos de todos
los abonados que se encuentran en un área geográfica bajo su
control. Estos datos se piden al HLR perteneciente al abonado. En
general para simplificar las señalizaciones requeridas y la estructura
del sistema, los fabricantes implementan el VLR y el MSC juntos, de
modo que el área geográfica controlada por el MSC corresponde a la
controlada por el VLR.
En particular las informaciones que contiene son:
Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI), usado para
garantizar la seguridad del IMSI, se asigna cada vez que se
cambia LA.
Estado de la MS (standby, ocupado, apagado).
El estado de los servicios suplementarios como Call Waiting, Call
Divert, Call Barring, etc.
62
TELEFONÍA MÓVIL
Los tipos de servicios subscriptos por el abonado al que se le
permite acceder (voz, servicio datos, SMS, otros servicios
auxiliares).
La Location Area Identity (LAI) en la que se encuentra la MS
dentro de aquéllas bajo el control del MSC/VLR.
Autentication Center. El centro de Autentificación es una función del
sistema que se ocupa de verificar si el servicio ha sido solicitado por
un abonado legítimo, proporcionando ya sea los códigos para la
autenticación como la clave, para proteger tanto al abonado como al
operador de red, de intrusiones del sistema por parte de terceros.
El mecanismo de autentificación verifica la legitimidad de la SIM sin
transmitir sobre el radiocanal las informaciones personales del
abonado, como IMSI y llaves de clave, a fin de verificar que el
abonado que está intentando el acceso sea el verdadero y no un
clon; la clave sin embargo genera algunos códigos secretos que se
usarán para encriptar toda la comunicación cambiada por error sobre
el radiocanal. Los códigos de autentificación y clave están generados
casualmente por cada abonado en particular por algunos sets de
algoritmos definidos por el estándar y que son memorizados además
de en la AUC también en la SIM.
La autentificación se produce cada vez que la MS se conecta al
network y más precisamente en los siguientes casos:
Cada vez que la MS recibe o efectúa una llamada.
Cada vez que se efectúa la actualización de la posición de la MS
(location updating)
Cada vez que se solicita la activación, desactivación o
información sobre los servicios suplementarios.
63
TELEFONÍA MÓVIL
La AUC puede ser implementada también como otra aplicación en la
misma workstation en que se encuentra la HLR, que es el único
elemento del sistema con el que está comunicado, y además no
puede ser gestionado por control remoto por motivos de seguridad.
Equipment Identity Register. El Registro de Identidad del Equipo es
una base de datos que verifica si un Mobile Equipment (ME) está
autorizado o no para acceder al sistema. Esta base de datos está
dividida en tres secciones:
White List: Contiene todos los IMEI designados a todos los
operadores de las varias naciones con las que se tienen
acuerdos de roaming internacional.
Black List: Contiene todos los IMEI que se consideran
bloqueados (por ejemplo los robados).
Grey List: Contiene todos los IMEI marcados como faulty o
también los relativos a aparatos no homologados. Los terminales
introducidos en la Grey List les son señalados a los operadores
de sistema a través de una alarma cuando solicitan el acceso,
permitiendo la identificación del abonado que utiliza el terminal y
del área de llamada en donde se encuentra.
A cada tentativa de conexión de la MS con el network, la MSC
mediante la EIR verifica la existencia de uno de los siguientes casos,
para permitir o no el acceso:
El equipo está homologado para la conexión con un network
GSM.
El equipo no ha sido robado o utilizado fraudulentamente.
64
TELEFONÍA MÓVIL
El equipo no está marcado como inoperativo (sin usuario
asignado).
El EIR puede ser único para todo el sistema o bien puede estar
implementado en una configuración distribuida. Puede encontrarse
en la misma workstation en que se encuentran la HLR y la AUC, pero
generalmente es preferible tenerlo en una máquina a parte por
razones de seguridad. Se puede acceder también por control remoto
para permitir la actualización de las diferentes listas contenidas en él
desde cada punto de la red. En el futuro está prevista la
interconexión con todos los EIR de los diferentes operadores GSM,
para evitar el uso de aparatos robados en países distintos de
aquellos en los que ocurrió el robo.
NMC (Network Management Center). Desde el NMC (Central Maestra
de Red) se pueden controlar todas las operaciones en curso, además de
efectuar la configuración de la red.
OMC (Operation and Maintenance Center). La Central de
Mantenimiento y Operación tiene las siguientes funciones:
Acceso remoto a todos los elementos que componen el network
GSM (BSS, MSC, VLR, HLR, EIR y AUC).
Gestión de las alarmas y del estado del sistema con posibilidad
de efectuar varios tipos de test para analizar las prestaciones y
verificar el correcto funcionamiento del mismo.
Recogida de todos los datos relativos al tráfico de los abonados
necesarios para la facturación.
Supervisión del flujo de tráfico a través de las centrales e
introducción de eventuales cambiantes del flujo mismo.
65
TELEFONÍA MÓVIL
Visualización de la configuración del network con posibilidad de
cambiarla por control remoto.
Administración de los abonados y posibilidad de poder conocer
su posición dentro del área de cobertura.
En algunos sistemas de grandes dimensiones, pueden existir
más OMC. En este caso existirá un OMC general desde el que es
posible controlarlo todo (OMC-N) y otros OMC limitados al control
de algunas zonas (OMC-R).
Figura 2.3 Subsistemas de la red principal GSM
66
TELEFONÍA MÓVIL
2.3 HIGH-SPEED CIRCUIT SWITCHED DATA (HSCSD)
Esta tecnología para transmisión de datos móvil por conmutación de
circuitos a velocidades de hasta 64 KB/s, es una extensión del GSM. Es cuatro
veces más rápida que la velocidad estándar del GSM de 1999. La velocidad de
HSCSD (Circuito Conmutador de Datos a Alta Velocidad) es comparable a la
velocidad de muchos modems de ordenador que comunican con las redes
telefónicas fijas actuales. Esta tecnología es aplicada en los teléfonos móviles, con
el objetivo de aumentar las velocidades de transferencia de datos en celulares que
admitan el servicio WAP.
El HSCSD es una actualización de segunda fase para el GSM, homologada
por el ETSI (European Estándar Institute) en febrero de 1997 y comercializada a
partir de 1999. El HSCSD, junto con el esquema de codificación mejorado de 14,4
Kbit/s, permite velocidades de transmisión de datos de hasta 57,6 Kbit/s,
combinando varios slots de 9,6 Kbit/s o 14,4 Kbit/s. Con esta tecnología el número
de slots usados en cada instante por una comunicación de datos es variable
dependiendo de la saturación de la célula en la que esté operando el teléfono
móvil a continuacion se muestran las siguientes caracteristicas del HSCSD:
Velocidad. La velocidad siempre permanece constante, debido a que
cada usuario utiliza un canal a la vez. Sin embargo la velocidad puede
varíar dependiendo de la cantidad de información enviada/recibida.
Entre mayor cantidad de información se transmita, menor velocidad.
Esto se debe a que los usuarios comparten los canales.
Transmisión de archivos electrónicos e E-mail. No es recomendable
para transmitir/recibir archivos electrónicos grandes e e-mail con
archivos adjuntos, pero resulta sumamente conveniente para transmitir
archivos pequeños y mensajes de e-mail de texto.Esto es debido a que
la transmisión de archivos grandes puede llevar mucho tiempo.
67
TELEFONÍA MÓVIL
Navegación en Internet y WAP. Es más conveniente cuando navegas en
Internet con un propósito bien definido, por ejemplo, leer tu e-mail o
buscar información específica en una página web. En web es más
conveniente si estás buscando información o leyendo noticias, ya que
no importa cuanto tiempo te tome buscar o leer, únicamente pagarás lo
que envíes/recibe.
Las aplicaciones que se pueden beneficiar del HSCDS son: E-mail, Fax,
acceso a LAN, transferencia de archivos, videoconferencias, seguriadad, difusión
de TV y navegación por internet.
Las ventajas y desventajas que presenta son: La mayor ventaja del
HSCSD, es que la inversión para ser implementado es mínima, ya que
básicamente se trata de una modificación de software, unos mínimos cambios en
hardware y ninguna dotación física. Así pues, aunque algunos operadores y
fabricantes se han volcando directamente con la tecnología GPRS, el HSCSD
permite a aquellos que lo utilizen en su red adelantarse en la oferta de servicios
avanzados con una inversión que no va a perder rentabilidad a largo plazo, ya que
muchas de las aplicaciones GPRS, se inician con el HSCSD; algunas se
trasladarán al sistema de transmisión por paquetes, pero otras seguirán utilizando
el HSCSD, que es más adecuado para aquellas funciones que necesitan una
velocidad constante y un mínimo de retraso, como puede ser la transmisión de
imágenes de video o imágenes en tiempo real. La mayor desventaja del HSCSD
es el coste para los usuarios, el uso de 4 canales, significa que pagas 4 veces.
68
TELEFONÍA MÓVIL
2.4 GENERAL PACKET RADIO SERVICE (GPRS).
Es considerada la generación 2.5, entre la segunda generación (GSM) y la
tercera (UMTS). Proporciona altas velocidades de transferencia de datos
(especialmente útil para conectar a Internet) y se utiliza en las redes GSM. GPRS
(Servicio General de Paquetes de Radio, es básicamente una comunicación
basada en paquetes de datos) es sólo una modificación de la forma de transmitir
datos en una red GSM, pasando de la conmutación de circuitos en GSM (donde el
circuito está permanentemente reservado mientras dure la comunicación aunque
no se envíe información en un momento dado) a la conmutación de paquetes.
Desde el punto de vista del Operador de Telefonía Móvil es una forma sencilla de
migrar la red desde GSM a una red UMTS puesto que las antenas (la parte más
cara de una red de Telecomunicaciones móviles) sufren sólo ligeros cambios y los
elementos nuevos de red necesarios para GPRS serán compartidos en el futuro
con la red UMTS. Los timeslots (intervalos de tiempo) se asignan en GSM
generalmente mediante una conexión conmutada, pero en GPRS los intervalos de
tiempo se asignan a la conexión de paquetes, mediante un sistema basado en la
necesidad. Esto significa que si no se envía ningún dato por el usuario, las
frecuencias quedan libres para ser utilizadas por otros usuarios.
Que la conmutación sea por paquetes permite fundamentalmente la
compartición de los recursos de radio. Un usuario GPRS sólo usará la red cuando
envíe o reciba un paquete de información, todo el tiempo que esté inactivo podrá
ser utilizado por otros usuarios para enviar y recibir información. Esto permite a los
operadores dotar de más de un canal de comunicación sin miedo a saturar la red,
de forma que mientras que en GSM sólo se ocupa un canal de recepción de datos
del terminal a la red y otro canal de transmisión de datos desde la red al terminal,
en GPRS es posible tener terminales que gestionen cuatro canales simultáneos de
recepción y dos de transmisión, pasando de velocidades de 9,6 kbps en GSM a 40
kbps en recepción en GRPS y 20 kbps de transmisión.
69
TELEFONÍA MÓVIL
Figura 2.4 Arquitectura de una red GPRS
Otra ventaja de la conmutación de paquetes es que, al ocuparse los
recursos sólo cuando se transmite o recibe información, la tarificación por parte del
operador de telefonía móvil sólo se produce por la información transitada, no por el
tiempo de conexión. Esto hace posible aplicaciones en la que un dispositivo móvil
se conecta a la red y permanece conectado durante un periodo prolongado de
tiempo sin que ello afecte en gran medida a la cantidad facturada por el operador.
70
Otras Redes
EIR AuC OMC
OSS
BTS
BTS
BTS
BSS
BSC
BTS
BTS
BTS
BSS
BSC
Internet
MSC
VLRHLR
GMSC
NSS
SGSN
GGSN
Red de Tránsito
Red de Transito
TELEFONÍA MÓVIL
Los teléfonos GPRS pueden llevar un puerto bluetooth, IrDA, o conexión por cable
para transferir datos al ordenador, cámaras digitales móviles u otros dispositivos.
La tecnología GPRS transfiere datos en paquetes a alta velocidad,
utilizando uno o varios canales de la red GSM. Los usuarios comparten estos
canales por lo que las velocidades de transmisión varían dependiendo del número
de usuarios simultáneos conectados y de la carga de la red.
Las principales ventajas de GPRS son:
Siempre estas conectado
Puedes recibir llamadas de voz mientras estas conectado
El cobro se realiza con base en la cantidad de información
enviada/recibida
Tiene la misma funcionalidad en voz que los sistemas actuales
Permite comunicaciones de voz y datos simultaneos
Es un paso intermedio a la tercera generación de móviles (G3), el
famoso UMTS. Hay quien lo llama 2'5G o GSM fase 2+ . El despliegue
de GPRS puede servir en parte para actualizar después la red a UMTS
Actualmente para conectar a internet por medio del teléfono celular
tenemos varios sistemas funcionando:
WAP en Europa y algunos operadores de Estado Unidos y Latino
America
Palm.net sólo en Estado Unidos
I-node sólo en Japón
En Europa, y en concreto en España, se dispone del protocolo WAP sobre
tecnología GSM. Para acceder a servicios de internet con este protocolo se debe
realizar antes una llamada al proveedor de internet para que abra una conexión.
71
TELEFONÍA MÓVIL
Es decir, se ocupa un enlace o canal exclusivo para la comunicación, y en
consecuencia es cobrada una llamada. Además la velocidad máxima de conexión
que se consegue es de 9.6 Kb/s.
La velocidad de transmisión que se pude conseguir se determina por la
capacidad del celular que usemos:
Número de timeslots. Cada "timeslot" nos proporciona una velocidad de
conexión de 10Kb/s
Clase del equipo celular:
Clase A: permite voz y datos simultaneamente
Clase B: permite voz y datos, pero puede degradarse la calidad de la
conexión de datos.
Clase C: permite voz o datos, sólo uno de los dos.
(Manualmente se podría comnutar de uno a otro modo).
Un móvil de clase B 4+1 nos permite tener 4 timeslots en recepción y un
timeslot en transmisión. Así que podemos recibir hasta 40 kb/s y transmitir a
10Kb/s. Lo normal es recibir mas cantidad de datos de los que transmitimos.
Además la transmisión gasta más batería que la recepción.
La red actual debe ser actualizada, principamente añadiendo software a las
centrales de conmutación, pero también añadiendo algunos dispositivos como por
ejemplo:
SGSN (Seving GPRS Support Node), algo así como un encaminador
que se encarga de:
asignar las direcciones IP
sigue los movimientos del usuario al cambiar de estación base
asegura la seguridad de la conexión
72
TELEFONÍA MÓVIL
GSN (Gateway Suport Node) sirve de pasarela para conectar con otras
redes, con internet, etc.
Puesto que se usa conmutación de paquetes, la capacidad de la red se
reparte entre los usuarios. Si hay pocos usuarios conectados tendremos unas
velocidades de datos altas, de hasta 115Kb/s. Si hay muchos usuarios la
velocidad se verá reducida. La principal ventaja de GPRS es la capacidad de estar
permanentemente conectado, no su alta velocidad.
Las aplicaciones del GPRS son, de entrada, las mismas que los actuales
sistemas WAP, pero con la ventaja de estar conectados siempre. Podemos llegar
a una ciudad y pulsando un icono conocer que hay de interesante en ella. Los
nuevos celulares serán mucho más personales. Podremos programarlos para que
busquen información según nuestros intereses y personalidad haciendonos la vida
más fácil. Para esto no necesitamos hacer una llamada, la conexión es
permanente. Otra posibilidad sería indicar al móvil que nos interesa comprar
acciones de Terra si bajan de los 25 euros. Como está conectado continuamente,
cuando detecta que han bajado, sonará o vibrará y con él podremos hacer la
compra.
Una aplicación más es que sirva de conexión a internet para nuestro
ordenador portátil. El portátil se conecta por infrarrojos (IRDA) o vía radio
(Bluetooth) al celular, y el celular nos conecta a internet. No necesitamos cable y
no encontraremos problemas de conectores incompatibles en los hoteles de
ningún país del mundo. Puesto que la conexión es permanente, la tarificación no
será por las llamadas ni por el timpo de conexión, sino por el tráfico de datos
generado. Cuánto cuesta en realidad conectarse a Internet con GPRS? En
cualquier caso, muy caro. La conectividad móvil tiene su precio, y hay que estudiar
las tarifas cuidadosamente antes de decidir, si no queremos encontrarnos con
desagradables sorpresas en la factura.
73
TELEFONÍA MÓVIL
Mientras tanto, los mortales nos conformamos con GPRS, un servicio no
tan bueno, pero algo más barato. Este General Packet Radio Service es una
especie de parche que permite a las redes GSM transmitir datos.
Antes de la implantación de GPRS, para enviar datos con el teléfono celular
se hacía una doble conversión. Los datos se convertían en sonido, que se enviaba
por teléfono como si fuera voz, y luego se convertían de nuevo en datos. Con
tanto jaleo, sólo se alcanzaba una velocidad de 9,6 Kbps.
Con GPRS se ahorra este paso superfluo, y los datos viajan a una
velocidad máxima de 48 Kbps. Teniendo en cuenta que un módem telefónico
normal funciona a 56 Kbps, tampoco está tan mal. Pero con los teléfonos celulares
siempre hay problemas de cobertura e interrupciones, tanto en voz como en datos,
y la experiencia no es tan buena.
Lo cual nos lleva a la forma de cobro del servicio. La conexión con un
módem a través de un teléfono fijo se cobra por tiempo, o en su lugar con un
importe fijo conocido como tarifa ondulada. Cuando se accede a Internet con
GPRS, el tiempo no importa. Lo que se cobra es el volumen de datos transmitidos,
es decir, a tanto el kilo de bits.
La razón de esta modalidad de cobro es la forma en que se establece la
conexión. Cuando se hace una llamada de voz (en GSM tradicional) se asigna un
canal a esa llamada, y el canal se mantiene abierto aunque los interlocutores no
hablen. Con los datos (llamada GPRS), se asigna un canal dinámico. Cuando se
deja de transmitir, el canal se corta y se asigna a otro usuario.
Todo esto estaría muy bien si el precio fuera razonable, pero no lo es. El
servicio GPRS se cobra muy caro, más aún teniendo en cuenta lo que es:
transmitir datos por la red GSM, lo mismo que la voz. Una demostración de que
las cosas no valen lo que cuestan, sino lo que se está dispuesto a pagar por ellas.
74
TELEFONÍA MÓVIL
2.5 ENHANCED DATA RATES FOR GSM EVOLUTION (EDGE)
EDGE es el acrónimo para Enhanced Data rates for GSM Evolution (Tasas
de Datos Realzadas para la evolución de GSM). También conocida como EGPRS
(Enhanced GPRS). Es una tecnología de la telefonía móvil celular, que actúa
como puente entre las redes 2G y 2.5G. EDGE se considera una evolución del
GPRS. Esta tecnología funciona con redes TDMA y su mejora, GSM. Aunque
EDGE funciona con cualquier GSM que tenga implementado GPRS, el operador
debe implementar las actualizaciones necesarias, además no todos los teléfonos
móviles soportan esta tecnología.
EDGE, o EGPRS, puede ser usado en cualquier transferencia de datos
basada en conmutación por paquetes (Packet Switched), como lo es la conexión a
Internet. Los beneficios de EDGE sobre GPRS se pueden ver en las aplicaciones
que requieren una velocidad de transferencia de datos, o ancho de banda alto,
como video y otros servicios multimedia. Además de usar GMSK (Gaussian
Minimum-Shift Keying), EDGE usa 8PSK (8 Phase Shift Keying) para los cinco
niveles superiores de nueve esquemas totales de modulación y codificación. Esto
produce una palabra de 3 bits por cada cambio en la fase de la portadora. Con
esto se triplica el ancho de banda disponible que brinda GSM. Al igual que GPRS,
EDGE usa un algoritmo de adaptación de tasas, que adapta el esquema de
modulación y codificación (MCS) usado para la calidad del radiocanal, así como el
índice binario (bit rate) y la robustez de la transmisión de datos. EDGE agrega una
nueva tecnología que no se encuentra en GRPS, la Redundancia Incremental, la
cual, en vez de retransmitir los paquetes de información alterados, envía más
información redundante que se combina en el receptor, lo cual incrementa la
probabilidad de una decodificación correcta.
EDGE puede alcanzar una velocidad de transmisión de 384 Kbps en modo
de paquetes, con lo cual cumple los requisitos de la ITU para una red 3G, también
ha sido aceptado por la ITU como parte de IMT-2000, de la familia de estándares
75
TELEFONÍA MÓVIL
3G. También mejora el modo de circuitos de datos llamado HSCSD, aumentando
el ancho de banda para el servicio.
EDGE fue estrenado en las redes GSM de Norte América en el año 2003.
Aunque la tecnología UMTS es de mayor capacidad de transferencia, y
cronológicamente más reciente, sus altos costos de implementación, y poco
apoyo, hacen que una buena cantidad de operadores de telefonía móvil celular
tengan implementada la tecnología EDGE, dominando el mercado global de las
comunicaciones GSM/GPRS. Para la implementación de EDGE por parte de un
operador, la red principal, o core network, no necesita ser modificada, sin
embargo, las estaciones base BTS, sí deben serlo. Se deben instalar tranceptores
compatibles con EDGE, además de nuevas terminales (teléfonos) y un software
que pueda decodificar/codificar los nuevos esquemas de modulación.
La definición de EDGE, si es de 2 o 3G, depende de su implementación.
Mientras la Clase 3 e inferiores, claramente no son 3G, la Clase 4 y superiores,
presentan un ancho de banda superior a otras tecnologías consideradas 3G
(Como 1xRTT). En Clase 10, con un ancho de banda superior a 230 Kbps, EDGE
logra trascender las definiciones comunes de 2G y 3G.
76
TELEFONÍA MÓVIL
2.6 UNIVERSAL MOBILE TELECOMMUNICATIONS SYSTEM (UMTS)
La tecnología UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) es el
sistema de telecomunicaciones móviles de tercera generación, que evoluciona
desde GSM pasando por GPRS hasta que UMTS sea una realidad y tenga un
papel principal en las telecomunicaciones multimedia inalámbricas de alta calidad
que alcanzarán a 2000 millones de usuarios en todo el mundo en el año 2010. El
principal avance es la tecnología WCDMA (Wide Code Division Multiple Access)
heredada de la tecnología militar, a diferencia de GSM y GPRS que utilizan una
mezcla de FDMA (Frecuency Division Multiple Access) y TDMA (Time Division
Multiple Access). La principal ventaja de WCDMA consiste en que la señal se
expande en frecuencia gracias a un código de ensanchado que sólo conocen el
emisor y el receptor. Esta original forma de modulación tiene numerosas ventajas:
Altas velocidades de transmisión de hasta 2 Mbps, al usar todo el
espectro.
Alta seguridad y confidencialidad debido a la utilización de técnicas que
permiten acercarse a la capacidad máxima del canal. (Como por
ejemplo: codificadores convolucionales)
Acceso múltiple de eficacia máxima mientras no coincidan las
secuencias de saltos.
Alta resistencia a las interferencias.
Posibilidad de trabajar con dos antenas simultáneamente debido a que
siempre se usa todo el espectro y lo importante es la secuencia de salto,
lo que facilita el handover (proceso de traspaso de la señal de una
antena a otra), donde GSM falla mucho.
UMTS ofrece otra serie de ventajas como roaming y cobertura a nivel
mundial ya sea vía enlace radio terrestre o vía satélite, y está altamente
estandarizado con una interfaz única para cualquier red. Posibilidad de una
emisión más rápida en el servicio de Difusión Celular.
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TELEFONÍA MÓVIL
Figura 2.5 Arquitectura de una red UMTS
Las principales características de transmiciones UMTS son:
Es una tecnología apropiada para una gran variedad de usuarios y tipos
de servicios, y no solamente para usuarios muy avanzados, UMTS
ofrece:
Facilidad de uso y bajos costos: UMTS proporcionará servicios de
uso fácil y adaptable para abordar las necesidades y preferencias de
78
Red IP
EIR AuC OMC
OSS
BTS
BTS
BTS
BSS
RNC
BTS
BTS
BTS
BSS
RNC
U-MSC
VLR
HLR
GMSC
NSS
U-MSC
TELEFONÍA MÓVIL
los usuarios, amplia gama de terminales para realizar fácil acceso a
los distintos servicios, bajo coste de los servicios para asegurar un
mercado masivo.
Nuevos y mejorados servicios: Los servicios vocales mantendrán
una posición dominante durante varios años. Los usuarios exigirán a
UMTS servicios de voz de alta calidad junto con servicios de datos e
información. Las proyecciones muestran una base de abonados de
servicios multimedia en fuerte crecimiento hacia el año 2010, lo que
posibilita también servicios multimedia de alta calidad en áreas
carentes de estas posibilidades en la red fija, como zonas de difícil
acceso.
Acceso rápido: La principal ventaja de UMTS sobre la segunda
generación móvil (2G), es la capacidad de soportar altas velocidades
de transmisión de datos de hasta 144 kbit/s sobre vehículos a gran
velocidad, 384 kbit/s en espacios abiertos de extrarradios y 2 Mbit/s
con baja movilidad (interior de edificios). Esta capacidad sumada al
soporte inherente del Protocolo de Internet (IP), se combinan
poderosamente para prestar servicios multimedia interactivos y
nuevas aplicaciones de banda ancha, tales como servicios de video
telefonía y video conferencia.
Velocidades de Transmisión:
Transmisión de paquetes de datos y velocidad de transferencia de datos
a pedido. UMTS ofrece la transmisión de datos en paquetes y por
circuitos de conmutación de alta velocidad debido a la conectividad
virtual a la red en todo momento y a las formas de facturación
alternativas (por ejemplo, pago por byte, por sesión, tarifa plana, ancho
de banda asimétrico de enlace ascendente / descendente) según lo
requieran los variados servicios de transmisión de datos que están
haciendo su aparición.
Entorno de servicios amigable y consistente:
79
TELEFONÍA MÓVIL
Los servicios UMTS se basan en capacidades comunes en todos los
entornos de usuarios y radioeléctricos de UMTS. Al hacer uso de la
capacidad de roaming desde su red hacia la de otros operadores UMTS,
un abonado particular experimentará así un conjunto consistente de
“sensaciones” como si estuviera en su propia red local (“Entorno de
Hogar Virtual” o VHE). VHE asegurará la entrega de todo el entorno del
proveedor de servicios, incluyendo por ejemplo, el entorno de trabajo
virtual de un usuario corporativo, independientemente de la ubicación o
modo de acceso del usuario (por satélite o terrestre). Asimismo, VHE
permitirá a las terminales gestionar funcionalidades con la red visitada,
posiblemente mediante una bajada de software, y se proveerán
servicios del tipo “como en casa” con absoluta seguridad y transparencia
a través de una mezcla de accesos y redes principales.
Arquitectura del sistema UMTSLa estructura de redes UMTS esta compuesta por dos grandes subredes: la
red de telecomunicaciones y la red de gestión. La primera es la encargada de
sustentar el transvase de información entre los extremos de una conexión. La
segunda tiene como misiones la provisión de medios para la facturación y
tarificación de los abonados, el registro y definición de los perfiles de servicio, la
gestión y seguridad en el manejo de sus datos, así como la operación de los
elementos de la red, con el fin ya de asegurar el correcto funcionamiento de ésta,
la detección y resolución de averías o anomalías, o también la recuperación del
funcionamiento tras periodos de apagado o desconexión de algunos de sus
elementos. Dentro de este apartado vamos a analizar sólo la primera de las dos
subredes, esto es, la de telecomunicaciones.
Una red UMTS se compone de los siguientes elementos:
80
TELEFONÍA MÓVIL
Núcleo de Red (Core Network). El Núcleo de Red incorpora funciones
de transporte y de inteligencia. Las primeras soportan el transporte de la
información de tráfico y señalización, incluida la conmutación. El
enrutamiento reside en las funciones de inteligencia, que comprenden
prestaciones como la lógica y el control de ciertos servicios ofrecidos a
través de una serie de interfaces bien definidas; también incluyen la
gestión de la movilidad. A través del Núcleo de Red, el UMTS se
conecta con otras redes de telecomunicaciones, de forma que resulte
posible la comunicación no sólo entre usuarios móviles UMTS, sino
también con los que se encuentran conectados a otras redes.
Red de acceso radio (UTRAN). La red de acceso radio proporciona la
conexión entre los terminales móviles y el Core Network. En UMTS
recibe el nombre de UTRAN (Acceso Universal Radioeléctrico Terrestre)
y se compone de una serie de sistemas de redes de radio o RNC (Radio
Network Controller) y una serie de Nodos B dependientes de él. Los
Nodos B son los elementos de la red que se corresponden con las
estaciones base.
Terminales móviles. Las especificaciones UMTS usan el término User
Equipment (UE).
Parte también de esta estructura serían las redes de transmisión
empleadas para enlazar los diferentes elementos que la integran.
Por lo tanto lo mas sobresaliente de UMTS es lo siguiente:
Roaming sin fisuras: La integración de transmisión terrestre y por
satélite da como resultado una movilidad sin solución de continuidad.
Acceso rápido global: La cobertura es total porque el enlace radio
incluye también las prestaciones ofrecidas por las transmisiones vía
satélite.
81
TELEFONÍA MÓVIL
Multimedia: Las velocidades prometidas, en el entorno de 384 Kbps,
parecen insuficientes en sí mismas y muy bajas en comparación con
otras soluciones.
Separación de servicios y plataformas: Los diseñadores de UMTS
tuvieron presente el nuevo modelo de negocio que promovería esta
solución. Un terminal puede estar conectado a varios Nodos B a la vez:
Por el tipo de enlace radio empleado, cada usuario usa el espectro en
su totalidad y se diferencia del resto por las distintas secuencias de salto
empleadas, lo que le permite trabajar con dos antenas a la vez.
Velocidad de transmisión de hasta 2 Mbps: Los dos "megas" solamente
se conseguirán en circunstancias muy especiales; de momento habrá
que conformarse con velocidades de sólo unos pocos centenares de
miles.
Capacidad para determinar la posición: El hecho de que las antenas
puedan hacer triangulaciones de como resultado la posibilidad de ubicar
a cualquier terminal en un espacio de unos cincuenta metros de radio.
Mayores mecanismos de seguridad: Como objetivo de diseño se ha
prestado mucha atención a la seguridad.
Always on: Se hereda esta importante funcionalidad del GPRS.
USIM con diferentes perfiles: Serían como las tarjetas SIM de GSM, pero
con distintos modelos para que el usuario pueda utilizar el tipo de terminal que
más le convenga.
En México, Iusacell ofrece actualmente este servicio, Telcel y Movistar lo
ofrecerán en su area de telecomunicaciones: UMTS, una tecnología deslucida y
con futuro incierto en la feria Cebit. La telefonía móvil de tercera generación
(UMTS), por cuyas licencias las operadoras pagaron en Europa cifras millonarias,
presenta este año una imagen deslucida y un futuro incierto en la feria de
informática Cebit de Hannover.
82
TELEFONÍA MÓVIL
La euforia de hace dos años por esta tecnología, que prometía total
movilidad para recibir y transmitir datos, imágenes y otros productos multimedia,
se ha convertido en incertidumbre ante los retos técnicos y financieros que genera
esta opción. Un nuevo competidor de UMTS son las redes de área local
inalámbrica (WLAN), que no ofrecen teóricamente tanta movilidad como la nueva
generación de celulares, pero sí velocidades más elevadas y costes muy inferiores
de infraestructura y uso. Sólo algunas grandes operadoras, como Deutsche
Telekom, hacen este año en la Cebit demostraciones reales de videoconferencia y
transmisión de datos con los escasos terminales de UMTS, que estarán
disponibles para el mercado en Europa a partir de la segunda mitad de 2003, un
año más tarde de lo previsto. Los fabricantes de teléfonos móviles se han centrado
este año en Hannover en presentar terminales convencionales (GSM) y de la
llamada segunda generación y media (GPRS), con funciones multimedia, pero a
velocidades inferiores que UMTS.
El 30% de ingresos por los celulares en 2006 procede de la transmisión de
datos. Los usuarios del teléfono celular están, en términos generales, satisfechos
con su operadora, prefieren el servicio de prepago y están dispuestos a pagar por
nuevos servicios. Esto se traducirá en que el 30% de la facturación provenga, en
dos o tres años, de la transmisión de datos
Sistema Kbps max.teóricos
Kbps max.
realesComentarios
GSM 9,6 9,6 Conmutación de circuitosHSCSD (High Speed
Circuit Switched Data) 57,6 28,8 Se agrupan varios canales GSM para una misma transmisión de datos
GPRS 171,2 44 Conmutación de paquetesEDGE (Enhanced Data
Rates for Global Evolution)
384 70 Cambio de sistema de modulación
UMTS De 384 a 2000 100 Interfaz radio UTRAN
Tabla 2.2 Caracteristicas de la Telefonía Movil.
83
TELEFONÍA MÓVIL
2.7 DIGITAL ENHANCED CORDLESS TELECOMMUNICATIONS (DECT).
La tecnología DECT que, traducido al español, es: Telecomunicaciones
Digitales Mejoradas e Inalámbricas, nació como una iniciativa europea para
normalizar y mejorar la transmisión inalámbrica de la voz en telefonía fija.
Actualmente esta tecnología se usa en todo el mundo. Generalmente, estos
dispositivos constan de una base que se conecta a la roseta telefónica y se
encarga de transmitir la voz de unos telefonillos a otros de forma inalámbrica y de
varios telefonillos individuales que no necesitan conectarse a la línea telefónica ya
que reciben la voz de forma inalámbrica desde la base. Tanto la base como los
telefonillos cuentan con un dispositivo base cargador que se conecta a la red y
recarga las baterías de los telefonillos/base. Por lo general una base es capaz de
gestionar hasta 5 ó 6 telefonillos, lo que suele ser suficiente para dar servicio
telefónico a una casa bastante grande.
Con solo pulsar dos teclas se puede establecer una comunicación interna
entre dos telefonillos cualesquiera de la red interna. Estas llamadas son
evidentemente gratuitas. Y desde cualquier telefonillo se puede llamar al exterior
a través de la base. El alcance inalámbrico de esta tecnología no es desdeñable,
de 50 a 200 metros dependiendo de si hay muchas paredes de por medio o, por el
contrario, hay visión directa entre un telefonillo y la base. Esto hace que algunas
veces se pueda compartir una conexión telefónica entre varios pisos de un mismo
bloque, o incluso de un bloque de pisos a otro no muy lejano.
Los teléfonos inalámbricos digitales DECT operan en la banda de
frecuencias de 1,88 a 1,90 GHz. De esta manera no hay interferencias entre esta
tecnología y la tecnología wifi de transmisión inalámbrica de datos, que suele
84
TELEFONÍA MÓVIL
operar en la banda de 2,4 GHz. Tampoco hay interferencias con la telefonía móvil
GSM que opera en la banda de 0,9 y 1,8 GHz.
Si la base de teléfonos DECT que hemos adquirido es compatible GAP
(Generic Access Profile), podremos compartir las comunicaciones con telefonillos
de otra marca que también sean compatible GAP. Esta compatibilidad sirve para
la transmisión de voz entre unos telefonillos y otros. Pero no siempre sirve para
prestaciones adicionales, por ejemplo, la identificación de llamada puede no estar
incluida en la compatibilidad y, en este caso, solo tendremos esta prestación en
los telefonillos GAP que sean de la misma marca y serie que la base. Por el
contrario, si la base tiene una función como es la de silenciar determinados
telefonillos cuando haya una llamada desde el exterior (para que estas llamadas
no se recojan en otro/s telefonillo/s), esta función, al ser propia de la base y no de
los telefonillos individuales, funcionará también con los telefonillos GAP de la otra
marca.
DECT, o Telecomunicaciones Inalámbricas Mejoradas Digitalmente es un
estándar ETSI para teléfonos inalámbricos digitales, comúnmente utilizado para
propósitos domésticos o corporativos. El DECT también puede ser utilizado para
transferencias inalámbricas de datos.
DECT es como un dispositivo celular GSM. Una gran diferencia entre
ambos sistemas es que el radio de operación de los aparatos DECT es desde 25
hasta 100 metros, mientras que los GSM de 2 a 10 kilómetros.
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TELEFONÍA MÓVIL
Figura 2.6 Teléfono con telefonía DECT
Sistema de telefonía inalámbrica de Brittish Telecom basado en DECT.
Algunas propiedades del DECT son:
Velocidad neta de transferencia: 32 kbit/s
Frecuencia: 1900 MHz
Canales: 10 (1880..1900 MHz)
Ciclos: 2 x 12 (Ciclos alto y bajo)
Direccionamiento de canales: Dinámica
Densidad de tráfico: 10000 Erlangs/km²
Usos del DECT:
Frequency division multiple access. Acceso Múltiple por División de
Frecuencia (FDMA),
Time division multiple access. Acceso Múltiple por División de
Tiempo(TDMA) y
Time division duplex Transmisión en dos sentidos por División de
Tiempo (TDD) Esto quiere decir que el espectro del radio es dividido en
canales físicos de dos dimensiones: Frecuencia y tiempo.
La potencia emitida desde el dispositivo portátil, así como la base al
transmitir es de 100mW.
86
TELEFONÍA MÓVIL
Cuatro áreas de aplicación:
Los DECTs domésticos son conectados a una base, que se conecta a
su vez al PSTN. Una base puede aceptar varios auriculares DECT.
Los DECTs de negocios son conectados a un PBX.
Los DECTs públicos son conectados a la PSTN (muy poco usual), que
es una alternativa de alta densidad al GSM.
Bucle local (muy raro). En este caso, el enlace de radio del DECT
reemplaza la conexión alámbrica entre el distribuidor final PSTN y el
suscriptor.
El GAP es un perfil de interoperabilidad para el DECT. La intención es que
dos diferentes productos definidos dentro de los límites del estándar DECT, sean
capaces de interoperar de tal manera de conseguir llamadas básicas. En otras
palabras, cualquier teléfono que soporte GAP puede ser registrado en cualquier
base que también lo soporte, y pueda ser usada para hacer y recibir llamadas. No
necesariamente serán capaces de acceder a características avanzadas de la
base, tales como la operación remota de una máquina contestadora que esté
incluída en la base. La mayoría de los dispositivos DECT a nivel de consumidor
soportan el perfil GAP, incluso aquellos que no publican esta función.
El DECT fue desarrollado por ETSI, pero ha sido adoptado por varios
países alrededor del mundo. El DECT es utilizado en todos los países de Europa,
fuera de ello, es usado en la mayor parte de Asia, Australia y Sudamérica.
Norteamérica ha estado fuera de los límites para el DECT, pero eso tiende a
cambiar en el futuro cercano.
87
TELEFONÍA MÓVIL
ConclusionesEn este capitulo conocimos el origen de las comunicaciones móviles,
también vimos por que se les conoce como “Telefonía Celular”, y es que su
funcionamiento esta basado en una configuración tipo células o mallas. También
hablamos de algunas de las tecnologías que actualmente están en operación, así
como las principales diferencias entre ellas.
Como por ejemplo, las primeras redes de telefonía celular (basadas en
señalización analógica) estaban orientadas únicamente a servicios de
conmutación de circuitos, por lo solo soportaban tráfico de voz y no de datos. En
cambio la segunda generación, comenzó a utilizar señalización digital,
posibilitando así la transmisión de datos, aunque seguían estando orientadas a la
transmisión de voz, puesto que la primera versión de GSM solo podía transportar
los datos a una velocidad de 9.6 Kbps, una capacidad muy reducida.
En cambio la llamada generación 2.5G, que incluye HSCSD, GPRS y
EDGE, soportan mayores velocidades de transmisión de datos, como por ejemplo
HSCSD que soporta hasta 57.6 Kbps al cambiar la modulación e introducir 4 slots
adicionales de hasta 14.4 Kbps, o EDGE que logra incrementar la transmisión de
datos sobre la red GSM/GPRS al utilizar una modulación y una codificación
distintas. La última generación, los sistemas 3G o UMTS, tiene como objetivo
definir un estándar mundial compatible con todos los sistemas anteriores.
0
500
1000
1500
2000
2500
HSCSD GPRS EDGE UMTS
Velo
cida
d (K
bps)
Serie1
Figura 2.7 Comparación de velocidad entre tecnologías móviles
88
CAPITULO 3
3REDES DE ACCESO
Objetivo:
En este capitulo se trataran algunos de los sistemas con los cuales es
posible realizar una conexión de un punto a otro o de un punto a varios puntos.
También se explicara de forma sencilla el funcionamiento básico de los protocolos
que rigen a estos sistemas, así como sus arquitecturas más comunes.
89
REDES DE ACCESO
INTRODUCCIÓN ALAS REDES DE ACCESO
En general, una red de telecomunicaciones puede definirse como el
conjunto de equipos, sistemas y medios de transmisión y conmutación que
posibilitan que la información circule de un punto a otro, como se muestra en la
siguiente figura 3.1, se compone de tres tramos bien diferenciados: la red de
transporte, que recoge múltiples líneas y las concentra para su transmisión a
distancias mayores; la red de conmutación, que se encarga de encaminar las
llamadas y los mensajes entre los usuarios que los solicitan y, finalmente, la red
de acceso que constituye el punto de conexión del hogar del usuario o de las
empresas.
Figura 3.1 Estructura de una red Telecomunicaciones
De todas las partes de una red (transporte, conmutación y acceso), la más
cercana al usuario y la que más opciones tecnológicas ofrece es la re de acceso.
En los últimos años, como consecuencia de la demanda de nuevos y más
90
RED DE TELECOMUNICACIONES
Servicios
Gestión
Y
Administración
Red de Transporte
Red de Acceso
Red de Conmutación
Usuarios
REDES DE ACCESO
avanzados servicios, están proliferando las redes de acceso de banda ancha con
una amplia gama de opciones tecnológicas.
Cualquier red de acceso, independientemente de la tecnología concreta que
utilice tiene una arquitectura, en la cabecera de la red se generan las señales que,
posteriormente, serán distribuidas a los abonados de la red. Además se encarga
del control y supervisión de las señales transmitidas, de la codificación de los
servicios de pago, de la generación y la distribución de facilidades especiales y de
la gestión de servicios y abonados.
El sistema receptor, como su nombre indica, recibe las señales procedentes
de los proveedores de contenidos y del exterior, ya sea vía terrestre
(radiocomunicación tanto TV como FM), vía satélite, vía cable (por cable desde un
estudio o por el canal de retorno desde el abonado), microondas (radioenlaces),
etc. Una vez captadas, se procesan para adaptarlas a las frecuencias y niveles de
señal exigidos por la red de acceso. Cuando toda la informaron ha sido procesada
de manera individual, hay que combinarla para formar la señal compuesta de
banda ancha, que será amplificada antes de distribuirse por la red. Además de los
elementos de reopción y procesado, en la cabecera se puede incluir elementos
para la gestión de abonados y servicios. De este transporte, se encarga la red de
acceso, donde encontramos multitud de tecnologías, como xDSL, HFC, MMDS,
LMDS, etc. Cuando la red de distribución es radioeléctrica, estamos ante el
llamado bucle local inalámbrico (WLL, Gíreles Local Loop), bajo cuya
denominación se engloban todas las tecnologías de acceso a todo tipo de
servicios utilizando como medio de transmisión el aire: los sistemas de
comunicaciones personales (PCS, Personal Communication System), los sistemas
de telefonía móvil y los sistemas radio de banda ancha, que son los estudiaremos
aquí. Los estándares para este tipo de sistemas son LMDS (Local Multipoint
Distribution System), MMDS (Microware Multipoint Distribution System) y MVDS
(Multipoint Video Distribution System). A la hora de elegir la tecnología inalámbrica
de acceso adecuada y, en general, cualquier solución tecnológica, resulta
91
REDES DE ACCESO
fundamental considerar la velocidad de acceso. En general, las redes inalámbricas
ofrecen menos ancho de banda que otras alternativas como xDLS o HFC, pero,
sin embargo, ponen a disposición del usuario una característica que las otras no
pueden ni podrán: la movilidad. Sin embargo, también se utilizan con bastante
profusión en países desarrollados, aunque con objetivos diferentes. Mientras en
los pises en vías de desarrollo predomina básicamente, el servicio telefónico, en
los países desarrollados se amplia la variedad de servicios ofrecidos. Incluso es
posible definir un nivel más de segmentación puesto que las características
dependerán del entorno concreto.
Localidad Área urbana/suburbana Área rural
Países desarrollados-Datos a alta velocidad
-Servicios de valor añadido-Movilidad limitada
-Densidad de tráfico y abonados elevada
-Datos a alta velocidad-Servicios de valor añadido
-Movilidad limitada-Densidad de abonados baja
-Cobertura ampliaPaíses en vías de
desarrollo-Servicio de telefonía
-Servicio de datos con módem-Movilidad ilimitada
-Servicio de telefonía-Servicios de datos con MODEM
-Movilidad ilimitada
Tabla 3.1 Requerimientos según el entorno socioeconómico
92
REDES DE ACCESO
3.1 LMDS
LMDS es una tecnología de comunicaciones inalámbricas de banda ancha
que se inscribe en el marco del multimedia y se basa en una concepción celular.
De acuerdo con esta filosofía, estos sistemas utilizan estaciones base distribuidas
a lo largo de la zona que se pretende cubrir, de forma que en torno a cada una de
ellas se agrupa un cierto número de usuarios, generando así de una manera
natural una estructura basada en células, también llamadas áreas de servicio,
donde cada célula tiene un radio de aproximadamente 4 kilómetros (como
promedio), pudiendo variar dentro del intervalo de 2 a 7 kilómetros. Y como indica
la primera sigla de su nombre –L (local) –, la transmisión tiene lugar en términos
de distancias cortas.
TipoDescripción
L (Local) Las características de propagación de la señal en este rango de frecuencias limitan la zona de
cobertura a una única celda.
M (Multipoint) La red presenta una topología punto a multipunto para el canal descendente, mientras
que el canal ascendente es punto a punto.
D (Distributed) Difusión de señales consistentes en tráfico de voz, vídeo y datos.
S (Service) Relación que se establece entre el operador y el cliente.
Tabla 3.2 Significado de las siglas LMDS
A la hora de realizar la planificación y despliegue de un sistema inalámbrico
punto a multipunto existen varios factores que deben tenerse en cuenta: zona
geográfica y orografía del terreno, densidad de abonados y consumo de tráfico,
calidad de servicio requerida, balance de potencias del enlace radio, tamaño y
93
REDES DE ACCESO
número de celdas, emplazamiento de estaciones base, reutilización de
frecuencias, coste del sistema, etc.
Hasta hace pocos años, se creía que las frecuencias tan altas utilizadas en
LMDS no permitirían ofrecer de forma viable un servicio masivo. La razón principal
que se alegaba al respecto era la atenuación debida a la lluvia, y las altas
potencias de emisión necesarias en consecuencia para lograr un cierto alcance de
la señal, lo que haría inviable económicamente utilizar estas frecuencias como
soporte de un servicio a la población en general, dada la dificultad y el coste de
emitir y recibir con la calidad adecuada la potencia de señal necesaria. Sin
embargo, el LMDS ha conseguido superar estas dificultades, fundamentalmente
en la banda de 28 GHz, como demuestran desde hace varios años los sistemas
en operación comercial existentes, entre los que destacan los de CellularVision en
la ciudad de Nueva York y en 40 GHz, Philips (en pilotos experimentales).
Las principales claves técnicas del sistema son tres: el teorema de Shannon
de equivalencia entre ancho de banda y potencia, la recepción de haces muy
estrechos y con polarización estable, y la reutilización de frecuencias. Por el
teorema de Shannon de equivalencia exponencial entre potencia y ancho de
banda, si se duplica el ancho de banda utilizado, sólo es necesario emitir la raíz
cuadrada de la potencia para lograr la misma relación señal a ruido en recepción.
En bajas frecuencias, el espectro es un recurso particularmente escaso que se ha
ido saturando a medida que han surgido nuevos servicios de telecomunicación,
por lo que se debía recurrir a emisiones de alta potencia para compensar la
limitación de ancho de banda.
Como ejemplo pondremos lo siguiente, es algo parecido a lo que sucede en
una habitación con mucho ruido de fondo: hablamos más alto para aumentar la
relación señal a ruido y hacernos entender. Lo malo es cuando la habitación está
"saturada" y todo el mundo debe hablar alto a la vez, hasta que llega un momento
en que ni así logramos entender a nuestros interlocutores. En LMDS se utiliza la
94
REDES DE ACCESO
táctica contraria: como el ancho de banda espectral es un recurso menos escaso
(se dispone de 1, 2 o 3 GHz), se utilizan sistemas de modulación en banda ancha
para transmitir la señal (por ejemplo, modulación FM). Esto permite utilizar
potencias mucho más bajas que en sistemas como la TV herciana convencional o
el MMDS (Multipoint Multichannel Distribution System, que dispone de "sólo" 200
MHz de ancho de banda), que emplean modulación AM.
Así por ejemplo, en países como Nueva York se transmite 49 canales
analógicos de TV, a los que se han añadido recientemente para demostración 175
canales digitales utilizando polarización opuesta, transmitidos todos ellos de forma
simultánea. Para ello, se utilizan potencias de emisión tan bajas como 20-30 watts
en el emisor principal y de unos 100 miliwatts en los repetidores. Por su parte, los
canales telefónicos necesitan menos de 1 mW, frente a los cientos de miliwatts o
los varios watios que radia un teléfono móvil convencional. Además, la calidad de
señal recibida es excelente, muy superior a la de la TV convencional durante al
menos el 99,9% del tiempo de emisión (los sistemas se diseñan para que menos
del 0,1% del tiempo la calidad de imagen sea de "convencional" a "inferior"), frente
al 99,7% de tiempo garantizado por los sistemas de TV satélite en DBS, que ya
ofrecen mejor calidad que la TV herciana.
También se utiliza simultáneamente polarización opuesta y
desplazamientos de las frecuencias centrales por canal, tanto para difusión en
células adyacentes como para canales de retorno de banda ancha en la propia
célula, se consigue duplicar el ancho de banda efectivo del sistema, por lo que en
LMDS a 28 GHz no es necesario alternar frecuencias entre células adyacentes,
algo imprescindible en otros sistemas celulares, con el consiguiente ahorro de este
recurso natural escaso y de creciente valor. Dadas sus enormes posibilidades en
banda ancha, el potencial de LMDS en el escenario de las telecomunicaciones sin
hilos se compara en algunos sectores con la ruptura que supuso en su momento
la fibra óptica en el mundo del cableado; de hecho, se le confiere el carácter de
fibra óptica virtual. En LMDS, cuando se establece una transmisión, esa "llamada"
95
REDES DE ACCESO
no puede transferirse desde una célula a otra como ocurre en el caso de la
telefonía celular convencional; es por lo que LMDS se inscribe en el contexto de
las comunicaciones fijas. En definitiva, el sistema LMDS se puede contemplar,
desde un punto de vista global, como un conjunto de estaciones base (también
conocidas como hubs) interconectadas entre sí y emplazamientos de usuario,
donde las señales son de alta frecuencia (en la banda Ka) y donde el transporte
de esas señales tiene lugar en los dos sentidos (two-way) desde/hacia un único
punto (el hub) hacia/desde múltiples puntos (los emplazamientos de usuario), en
base siempre a distancias cortas. En consecuencia, se puede decir que LMDS es
celular debido a su propia filosofía; en efecto, la distancia entre el hub y el
emplazamiento de usuario viene limitada por la elevada frecuencia de la señal y
por la estructura punto-multipunto, lo cual genera de forma automática una
estructura basada en células.
En la banda Ka. El carácter innovador fundamental de la tecnología LMDS
consiste en que trabaja en el margen superior del espectro electromagnético, en la
banda Ka de 28 GHz, concretamente en el intervalo 27.5 GHz a 29.5GHz, y en la
banda de 31 GHz utilizada habitualmente para control de tráfico y vigilancia
metereológica, concretamente en el intervalo 31.0 GHz a 31.3 GHz.
La utilización de las bandas de frecuencia más elevadas del espectro ha
tenido lugar tradicionalmente en el ámbito de sectores muy especializados, como
defensa, y en particular, en el sector espacial, debido sobre todo a la complejidad
de los sistemas electrónicos involucrados, especialmente de los semiconductores,
con importantes repercusiones en los costes. En consecuencia, la utilización de
estas bandas de frecuencia se ha visto históricamente reducida a estos sectores
considerados de importancia estratégica por los gobiernos. Sin embargo, los
rápidos avances en tecnología de semiconductores, concretamente en Arseniuro
de Galio (AsGa) que ha permitido la obtención de circuitos integrados monolíticos
de microondas, así como procesadores avanzados de señal, por citar sólo los
logros más impactantes, han propiciado que los costes disminuyan
96
REDES DE ACCESO
considerablemente hasta el punto de que la integración de las comunicaciones
espaciales en el sector comercial ha pasado a constituir un proyecto viable y
consolidado en todos sus aspectos.
El paso siguiente viene dado por la utilización de estas frecuencias
elevadas, con la sofisticada tecnología electrónica asociada, en el segmento
terrestre, y es aquí donde LMDS aparece como una de las primeras actuaciones.
En efecto, las frecuencias correspondientes a la banda Ka se utilizan en el
contexto de las comunicaciones por satélite: la innovación que conlleva LMDS se
basa en su utilización en las comunicaciones terrestres.
Las señales de elevada frecuencia se han considerado siempre
inadecuadas para las comunicaciones terrestres debido a que experimentan
reflexiones cuando encuentran obstáculos (como árboles, edificios o colinas) en su
camino de propagación, originando lo que se conoce como zonas de sombra a las
que no llega la señal; en cambio, como las frecuencias bajas atraviesan fácilmente
estos obstáculos, han constituido tradicionalmente las frecuencias de elección
para este tipo de comunicaciones. Sin embargo, como las frecuencias altas del
espectro ofrecen importantes ventajas en términos de ancho de banda
fundamentalmente y bajo nivel de saturación del espectro, se está generando un
gran interés en extender su aplicación desde el ámbito de las comunicaciones
espaciales hacia el ámbito terrestre, siendo LMDS uno de los resultados tangibles
en esta línea de actuación. Como consecuencia directa de trabajar con las
frecuencias más elevadas del espectro, LMDS requiere la existencia de una línea
de vista o camino sin obstáculos entre la estación base/hub y la antena situada en
el emplazamiento de usuario o abonado para que la señal no sufra reflexiones y
pueda llegar a su destino. Por ello, LMDS se considera un sistema “line of sight
óptico” en el sentido de que el camino entre los dos puntos a transmitir debe
aparecer libre de obstáculos. En líneas generales, en áreas geográficas con
niveles de lluvia medios e incluso elevados se han conseguido niveles de fiabilidad
del orden del 99.99%. Otros agentes meteorológicos, como la nieve o el hielo, no
introducen ningún tipo de deterioro en la señal.
97
REDES DE ACCESO
La comunicación en LMDS se establece de acuerdo con el concepto de
radiodifusión (en este aspecto aparece como una tecnología similar a MMDS o
Multichannel Multipoint Distribution System) , en concreto punto-multipunto donde
las señales viajan desde o hacia la estación central hacia o desde los diferentes
puntos de recepción (hogares y oficinas) diseminados por toda la célula . La
particularidad aparece aquí, como se puede observar en la aseveración anterior,
en que la comunicación se puede establecer en los dos sentidos simultáneamente
(two-way) desde la estación central a los diferentes puntos de emplazamiento de
usuario y viceversa. Esto es posible gracias a la tecnología digital, que ha sido en
realidad lo que ha conferido toda la importante potencia tecnológica y estratégica
que presenta los sistemas LMDS actuales, a los que se ha dado en llamar LMDS
de segunda generación para distinguirlos de los primeros desarrollos que
utilizaban tecnología analógica y un esquema de modulación FM.
.
Actualmente la FCC (Federal Communications Commission) está
trabajando activamente en la generación de un soporte regulatorio para LMDS que
permita optimizar su potencial tecnológico. Dentro de esta línea, ha asignado
1.150 MHz de espectro no continuo en 28 GHz a 31 GHz, llamado Bloque A, y 150
MHz en la banda de 31 GHz, llamado Bloque B, con lo cual LMDS conlleva un
ancho de banda espectral total de 1.300 MHz, una cifra que si se compara con
PCS, por ejemplo, resulta considerablemente mayor con respecto a los 30 MHz de
PCS bloque C, en concreto 40 veces mayor.
La tecnología LMDS utiliza el método de modulación QPSK (Quadrature
Phase Shift Keying) que permite reducir las interferencias y aumentar casi hasta el
cien por cien la reutilización del espectro. El ancho de banda conseguido gracias a
estas características se acerca a 1 Gbps. Por otra parte, en lo que respecta al
contexto de protocolos, LMDS aparece como un sistema especialmente neutro, lo
cual aumenta su potencial integrador. LMDS puede trabajar en entornos ATM,
TCP/IP y MPEG-2.
98
REDES DE ACCESO
3.1.1 Viabilidad Tecnológica
A grandes rasgos, entre los elementos técnicos fundamentales necesarios
para evaluar la viabilidad de un proyecto LMDS se encuentra el número de
usuarios/abonados, que a su vez aparece como una función del tamaño de la
célula, de la densidad de células y de la potencia de la estación base.
Paralelamente, el tamaño de la célula se establece en función de las zonas de
sombra, condiciones meteorológicas relativas a lluvia, nivel de solapamiento de las
células y tecnología utilizada en los equipos. Básicamente, la infraestructura
asociada a LMDS consiste en el segmento de la estación base o hub y el
segmento de usuario. Este último está conformado por una serie de antenas
transreceptoras de baja potencia situadas en cada emplazamiento de usuario; en
cada hogar para el caso residencial y en cada oficina o emplazamiento industrial
para el caso de negocios.
El tamaño de estas antenas, que se pueden instalar en tan sólo dos horas,
es muy pequeño. Las antenas reciben las señales emitidas por la estación
base/hub al mismo tiempo que emiten señales hacia esa estación base/hub
mediante un “down-converter” o “mezclador de bajada” la señal en la banda de 28
GHz se pasa a una frecuencia intermedia IF (Intermediate Frequency) para que la
señal sea compatible con los equipos del usuario; recíprocamente, mediante un
“up-converter” o “mezclador de subida", esta señal de frecuencia intermedia se
convierte en una señal de frecuencia en 28 GHz para generar la transmisión
desde el emplazamiento de usuario hacia el hub. El segmento de usuario
comprende también el “set top box”, basado tradicionalmente en tecnología
analógica, aunque se está trabajando activamente en incorporar tecnología digital,
con lo cual se mejora considerablemente la recepción de señales de vídeo en
formato MPEG-2.
Otras partes del segmento de usuario son una serie de interfaces para
implementar la integración en el marco del sistema de comunicaciones del
99
REDES DE ACCESO
usuario, y equipos para realizar la interconexión con la WAN (Wide Area Network)
–como enlaces con la central telefónica para generar líneas telefónicas y/o
cabeceras (headend) de televisión por cable–, una interfaz Ethernet para conectar
ordenadores y equipos asociados y una interfaz de red para controlar la
interacción entre los diferentes equipos informáticos y de comunicaciones. En
concreto, esta interfaz de red, conocida como NIU (Network Interface Unit),
constituye una interfaz estandarizada para todos los equipos existentes en el
emplazamiento de usuario, como, por ejemplo, PBX o multiplexadores de acceso
integrado.
Por lo tanto en el segmento de usuario la antena capta la señal emitida por
el hub y la unidad de interfaz de red la convierte en voz, vídeo y datos, y la
distribuye por todos los cables existentes en la planta del edificio. El segmento de
la estación base está formado por la propia estación omnidireccional o
sectorizada, que se sitúa sobre estructuras o edificios ya existentes o sobre torres
de transmisión de una altura determinada para poder disminuir al máximo las
zonas de sombra.
La antena sectorizada permite reutilizar frecuencias, lo cual produce un
notable incremento de la capacidad global del sistema, en particular, en lo que
concierne a la generación de servicios en dos sentidos.
3.1.2 Modo de funcionamiento
Su modo de funcionamiento se basa en dividir el diagrama de radiación de
la antena en sectores, de forma que se puedan crear diferentes nodos de área de
servicio. Así, si se dispone de un determinado margen de frecuencias “X” en la
antena para cubrir una zona en la que se encuentran “Y” abonados, según el
principio de sectorización de la antena, esta zona se podría dividir en, por ejemplo,
“Z” sectores, de modo que cada uno de ellos, donde habría “Y/Z” abonados,
utilizaría la frecuencia “X” completa para su propio servicio, con lo cual se obtiene
100
REDES DE ACCESO
una multiplicación de la capacidad del sistema en términos del número de
abonados al que se puede dar servicio, al mismo tiempo que cada sector presenta
un conjunto de servicios previamente determinado. Este tipo de antenas aparece
habitualmente en el ámbito de las comunicaciones celulares.
En LMDS la sectorización se realiza en cuadrantes, normalmente utilizando
polaridades alternadas horizontal y vertical en cada sector. Esta diversidad en la
polarización permite optimizar la reutilización de frecuencia; en el caso de 4
sectores se obtiene una ventaja de 4:1 con respecto a otros sistemas que no
emplean técnicas de reutilización de frecuencia, lo cual proporciona una
importante ventaja competitiva en términos de costes. Los niveles de reutilización
del espectro obtenidos se acercan al cien por cien.
Figura 3.2 Sistema LMDS
101
REDES DE ACCESO
El equipo asociado a la estación base está configurado en función de una
filosofía modular, de forma que se pueda realizar el despliegue para prácticamente
cualquier número de circuitos por sector. En líneas generales, se puede afirmar
que la capacidad de estos sistemas LMDS es realmente notable; en la literatura
existente se encuentran datos relativos a esta capacidad tales como que una sola
estación base proporciona líneas telefónicas y de datos para dar servicio a
aproximadamente 80,000 abonados.
3.1.3 En qué consiste el LMDS
El LMDS es un sistema de comunicación de punto a multipunto que utiliza
ondas radioeléctricas a altas frecuencias, en torno a 28 ó 40 GHz, en las que
existen bandas de frecuencia de unos 2 GHz con atenuación mínima (conocidas
como "ventanas espectrales") ante los agentes atmosféricos. Dada la anchura de
banda disponible, el LMDS puede ser el soporte de una gran variedad de servicios
simultáneos: televisión multicanal (difusión, PPV, video on demand), telefonía,
datos, servicios interactivos multimedia (tele-educación, telemedicina, acceso a
Internet en banda ancha, etc.). El territorio a cubrir se divide en células de varios
kilómetros de radio (3-9 Km en la banda de 28 GHz, 1-3 Km en la banda de 40
GHz). El abonado al sistema recibe la señal mediante una de tres vías: desde el
emisor principal de la célula, si existe visibilidad directa entre éste y el receptor;
desde un repetidor, en zonas de sombra; mediante un rayo reflejado en alguna
superficie plana (paredes de edificios, reflectores/repetidores pasivos, etc.). La
antena receptora puede ser de dimensiones muy reducidas -antenas planas de
16x 6 cm- con capacidad de emisión en banda ancha -señal de TV o datos a alta
velocidad- o estrecha -telefonía o datos de baja velocidad-.
En definitiva, se trata del acceso al bucle local vía radio. La tecnología
LMDS se basa en la conversión de las señales en ondas de radio que se
transmiten por el aire. Esta nueva tecnología presenta una serie de ventajas hasta
ahora inalcanzables a través de las conexiones vía cable: alta capacidad de
102
REDES DE ACCESO
transmisión, despliegue e instalación muy rápida, crecimiento inmediato y
simplicidad en el mantenimiento. En la siguiente figura se muestra como esta
configurada el sistema LDMS.
Figura 3.3 Sistema LDMS
3.1.4 Principales Elementos del Sistema LMDS
Los usuarios finales son los de tipo residencial y empresarial. El
equipamiento de usuario final, que consta básicamente de tres partes:
Antena tipo disco de reducido diámetro (10-15 cm de diámetro). Las
terminales que utiliza son: teléfono, televisor, u ordenador personal.
Receptor / Transmisor RF: equipo que transmite y recibe,
denominado CPE (Customer Premises Equipment). Para
aplicaciones simétricas.
Receptor RF: equipo que únicamente recibe señales, denominado
LNB (Low Noise Block). Para aplicaciones asimétricas.
103
REDES DE ACCESO
Equipamiento adaptador: adapta las señales RF para su recepción
descodificada por el terminal del usuario. Es el caso del TV Set Top
Box, tarjeta PC, splitter, o módem radio.
Estación base. Consistente en una torre de varios metros de altura
dónde se instalan dos antenas que dan cobertura a los usuarios
ubicados en las cercanías (hasta 6 Km). Se pretende que la estación
base proporcione cobertura omnidireccional, por lo que se emplean dos
antenas que cubren sectores de 180 grados cada una.
Cabecera. Soporta ó facilita la transmisión de los diferentes servicios
ofertados (voz, datos, TV, Internet), procesando la información y
enviándola a todas las estaciones base. Incluye:
Conexión de alta capacidad a Internet, con los correspondientes
routers y servicios de autenticación y gestión.
Servidor de aplicaciones interactivas Web TV y de vídeo avanzado.
Sistema de captación de canales de TV por satélite, generación de
canales propios, y generación de la señal de TV correspondiente a
los diferentes paquetes ofertados, remitida por un proveedor de
contenidos.
Sistema de conmutación de voz.
Sistema de acceso condicional para TV.
Sistema de gestión de red.
Sistema de acceso. Para la optimización del uso del ancho de banda
entre los diferentes clientes.
Red de transporte. Que conecta la cabecera con otras redes de voz,
datos ó TV.
104
REDES DE ACCESO
Internet de flujo asimétrico. Definido como el acceso a Internet con
diferente velocidad de bajada de acceso ó recepción de información
(download) y de subida ó emisión de información (upload), a la cuál se
conecta el usuario. Este tipo de acceso es muy adecuado para
aplicaciones asimétricas en que el usuario descarga mucha más
información de la red de la que envía, sea del tipo que sea (voz, datos,
imágenes).
Internet de flujo simétrico. La velocidad de recepción y de transmisión
son idénticas. Entorno típico de las aplicaciones empresariales en las
que se intercambia continuamente similar cantidad de información en
ambos sentidos.
Bandas de operación. Como resultado de las características de
propagación de las señales en este rango de frecuencias, los Sistemas
LMDS utilizan arquitectura de red basada en celdas, por lo cual los
servicios proveídos son fijos y no móviles. En los Estados Unidos, un
ancho de banda de 1.3 MHz (27.5 B 28.35 GHz, 29.1 B 29.25 GHz,
31.075 B 31.225 GHz, 31 B 31.075 GHz, y 31.225 B 31.3 GHz) ha sido
reservado para transmitir servicios de banda ancha punto a punto o
punto – multipunto basado en LMDS, tanto para consumidores
comerciales como residenciales.
3.1.5 Topología de red
En el diseño de sistemas LMDS son posibles varias arquitecturas de red
distintas. La mayoría de los operadores de sistemas utilizarán diseños de acceso
inalámbrico punto – multipunto, a pesar de que se pueden proveer sistemas punto-
a-punto y sistemas de distribución de TV con el sistema LMDS. Los servicios del
105
REDES DE ACCESO
sistema LMDS sean una combinación de voz, datos y video. La arquitectura de red
LMDS consiste principalmente de cuatro partes:
Figura 3.4 Topología de la red LDMS con infraestructura de fibra óptica
Centro de Operaciones de la Red (Network Operation Center – NOC).
Contiene el equipo del Sistema de Administración de la Red (Network
Management System - NMS) que está encargado de administrar
amplias regiones de la red del consumidor. Se pueden interconectar
varios NOC´s. La infraestructura basada en fibra óptica, típicamente
consiste de Redes Ópticas Síncronas (SONET), señales ópticas OC-12,
OC-3 y enlaces DS-3, equipos de oficina central (CO), sistemas de
conmutación ATM e IP, y conexiones con la Internet y la Red Telefónica
Pública (PSTNs).
Infraestructura de fibra óptica. En la estación base es donde se realiza la
conversión de la infraestructura de fibra a la infraestructura inalámbrica.
Los equipos que permiten la conversión incluyen la interfaz de red para
la terminación de la fibra, funciones de modulación y demodulación,
equipos de transmisión y recepción de microondas ubicados típicamente
106
REDES DE ACCESO
en techos o postes. Entre sus características se encuentra la
conmutación local que puede no estar presente en diferentes diseños. Si
la conmutación local se encuentra presente, los consumidores
conectados a la estación base pueden comunicarse entre sí sin tener
que entrar en la infraestructura de fibra óptica. De esta manera, la
administración del canal de acceso, registro y autenticación ocurren
localmente en la estación base.
Estación base. La arquitectura estación-base alternativa simplemente
provee enlace a la infraestructura de fibra óptica. Todo el tráfico dentro
de la infraestructura de fibra debe terminar en switches ATM o equipos
de oficina central. Bajo este escenario, si dos consumidores conectados
a una misma estación base desean comunicarse entre ellos, la
comunicación se lleva a cabo en una zona centralizada. Las funciones
de autenticación, registro y administración de tráfico se realizan
centralizadamente.
Equipo del cliente (CPE). Las configuraciones del equipo especial del
cliente varían entre vendedor y vendedor y dependen de las
necesidades del cliente. Principalmente, toda configuración incluye
equipo microondas externo y equipo digital interno capaz de proveer
modulación, demodulación, control y funcionalidad de la interfaz del
equipo especial del cliente. El equipo del cliente puede añadirse a la red
utilizando métodos de división de tiempo (time-division multiple access -
TDMA), división de frecuencia (frequency-division multiple access -
FDMA) o división de código (code-division multiple access – CDMA).
Las interfaces de los equipos del cliente cubrirán el rango de señales
digitales desde nivel 0 (DS-0), servicio telefónico (POTS), 10BaseT, DS-
1 no estructurado, DS-1 estructurado, frame relay, ATM25, ATM serial
sobre T1, DS-3, OC-3 y OC-1. Las necesidades de los clientes pueden
variar entre grandes empresas (por ejemplo, edificios de oficinas,
hospitales, universidades), en las cuales el equipo microondas es
compartido por muchos usuarios, a tiendas en centros comerciales y
107
REDES DE ACCESO
residencias, en las que serán conectadas oficinas utilizando 10BaseT
y/o dos líneas telefónicas (POTS). Obviamente diferentes
requerimientos del cliente necesitarán diferentes configuraciones de
equipo y distintos costos.
Figura 3.5 Topología de la red LMDS
3.1.6 Aspectos técnicos del sistema LDMS
Durante la planificación de celdas para una red LMDS, hay que tomar en
cuenta los siguientes aspectos:
Penetración de suscriptores. El desempeño del sistema de distribución
se mide con la penetración de los suscriptores, el cual es el porcentaje
de suscriptores que poseen suficiente nivel de señal para lograr una
excelente calidad de servicio.
Calidad de Servicio (quality of service – QoS). La calidad del servicio se
encuentra afectada por varios factores como por ejemplo: la obstrucción
del camino de transmisión, el solapamiento de celdas (15% es normal) y
redundancia del sistema.
108
REDES DE ACCESO
Presupuesto de Enlace. El presupuesto del enlace es utilizado par
estimar la máxima distancia a la que un suscriptor puede estar
localizado de una celda teniendo aún aceptables niveles de confiabilidad
del servicio. El presupuesto contabiliza todas las pérdidas y ganancias
del sistema a través de varios tipos de equipos. El presupuesto del
enlace analiza varios parámetros de la red, incluyendo radios portadora-
a-ruido.
Selección del tamaño de la celda. El tamaño máximo de celda para
servir un área esta relacionado al nivel de confiabilidad deseado
obtenido a partir del presupuesto del enlace. El tamaño de la celda
puede variar dentro del área de cobertura debido al tipo de la antena, su
altura y pérdida de señal. Los anteriores efectos guardan relación con el
tipo de área de cobertura por ejemplo urbano, suburbano o cobertura de
baja densidad. La selección del tamaño de la celda afecta el costo
capital total para la cobertura del área requerida.
Modelo capital-costo. El modelo capital-costo es utilizado para estimar
los requerimientos de capital de la red. El modelo encierra
consideraciones de diseño tales como presupuesto de enlace, tamaño
de celda, solapamiento de celdas, número de celdas, capacidad de
tráfico, número de sectores, costo por cada celda, y costo capital total.
3.1.7 Servicios LDMS
La capacidad de LMDS para comunicar en los dos sentidos permite generar
servicios de carácter interactivo tales como videoconferencia, VoD (Video on
Demand), acceso a Internet de alta velocidad y NC (Network Computing) de
elevada flexibilidad, además de servicios convencionales como, por ejemplo,
telefonía y programación de vídeo multicanal.
109
REDES DE ACCESO
Se puede afirmar que LMDS aparece como una alternativa tecnológica
dentro del escenario general de la convergencia en las comunicaciones, en el que
todas las aplicaciones se puedan proporcionar a través de una única plataforma.
En concreto, LMDS presenta un importante potencial competitivo en lo que
respecta al cable (fibra óptica y HFC –Hybrid Fiber Coaxial). En lo que se refiere a
aplicaciones de LMDS de segunda generación (que utiliza tecnología digital), las
actuaciones en curso se están centrando mayoritariamente en aspectos relativos a
teletrabajo e Internet de alta velocidad.
3.1.8 Ventajas y desventajas
Al ser un sistema de transmisión de banda ancha, se posibilita la
integración de los servicios sobre el mismo medio de transmisión. Puesto que es
un sistema de transmisión de datos, toda la información que se pueda digitalizar
será susceptible de ser transmitida por él. Por lo tanto, utilizando la misma
tecnología, un mismo usuario puede recibir servicios muy diferentes tales como
acceso a Internet, telefonía, información multimedia bajo demanda, datos, etc.
Al permitir la bidireccionalidad, se pueden ofrecer servicios como la TV
multicanal, la telefonía ó el acceso a Internet conjuntamente mediante una
plataforma única. Otras tecnologías inalámbricas tales como MMDS o el satélite
no lo permiten. Al ser el medio de transmisión radio, el desarrollo de la
infraestructura necesaria para el establecimiento del servicio es fácil de
desarrollar. Por el contrario, en los sistemas basados en redes de cable, se exige
llegar de manera física a cada uno de los clientes que soliciten el servicio. El
tiempo de ejecución de la infraestructura es mucho menor, lo cuál implica que los
costes de establecimiento se reducen enormemente, puesto que con una sola
estación transmisora se cubren todos los posibles clientes que entren dentro de la
extensa área de cobertura de la misma. La calidad de la señal no se ve afectada
110
REDES DE ACCESO
por las defectuosas redes de acceso locales existentes en muchos países, ya que
todo el bucle local se realiza independiente de las mismas, vía radio.
Por último, una gran parte del desembolso de estos sistemas se destina al
equipamiento de usuario (antena receptora, convertidores, módems, etc.), el
operador no incurre en estas inversiones hasta que el cliente no solicita el servicio.
Además, las necesidades de financiación motivadas por la inversión en
infraestructura para el usuario son mínimas, dado que el desarrollo de ésta última
es causada por el alta de cada nuevo cliente. En definitiva, se reduce la inversión
inicial, y el ritmo de ejecución de las inversiones se ajusta a su capacidad para
generar ingresos, por lo que las necesidades de capital se optimizan.
Ventajas Su costo
Bajos costos de introducción y desarrollo
Infraestructura escalable basada en la demanda, cobertura y
concentración de edificios.
Bajos costos de mantenimiento, manejo y operación del sistema.
Su velocidad
Crecimiento más rápido y fácil.
Tiempo de retorno más rápido gracias a la rápida respuesta a las
oportunidades de mercado.
Habilidad para manejar múltiples puntos de acceso de alta
capacidad, con tiempos de instalación reducidos sin la preocupación
de obtener los derechos de instalar cableados externos.
Desde un punto de vista funcional, es capaz de prestar los mismos
servicios que las tecnologías de cable, pero es mucho más barata,
sencilla y rápida de desplegar.
La capacidad de LMDS:
Velocidades de acceso de hasta 8 Mbps
Redistribución del ancho de banda entre clientes a tiempo real
111
REDES DE ACCESO
Plataforma multi- servicios
Alta confiabilidad
Simetría o asimetría
Desventajas Necesidad de línea de vista
Alcance limitado
Tecnología nueva
Las aplicaciones que se tienen de LMDS son las que a continuación se
nombran:
TV multicanal por suscripción
Ínter conectividad de redes LAN
Videoconferencia (IP o ISDN)
Frame Relay
Circuitos de Data dedicados (E1/T1, nX64)
ASP
ISP
Telefonía fija convencional (POTS)
Tamaño del archivo
Dial-up 48 Kbps
ADSL 256 Kbps
LMDS 8 Mbps
2 Megabytes 7 mins. 1.3 mins. 3 seg.10 35 mins. 6.5 mins. 13 seg.
140 8.1 horas 1.5 horas 3 mins.
Tabla 3.3 Comparación entre otras tecnologías
3.2 MMDS112
REDES DE ACCESO
El sistema MMDS (Multipoint Microwave Distribution System), también
llamado cable inalámbrico, queda recogido en ele estándar IEEE 802.16.3. se trata
de un sistema radio que trabaja en la banda de los 3 Ghz utilizado hasta el
momento para la difusión de televisión (de ahí lo del cable inalámbrico).
En comparación con otras alternativas de banda ancha, MMDS ofrece gran
cantidad de ancho de banda y, como tecnología inalámbrica que es, la instalación
del sistema resulta sencilla y con unos costes asociados muy bajos en relación a
otras opciones.
El Servicio de Distribución Multicanal Multipunto o Mutichannel Multipoint
Distribution Service (MMDS) utiliza tecnología inalámbrica para distribuir servicios
de video/televisión sobre frecuencias de microondas en la banda de 2.600 a 2700
MHz. Algunos operadores de los Estados Unidos de Norteamérica, usan dos
canales adicionales en la banda que va de los 2.150 a los 2.162 MHz. Los
transmisores envían la señal de línea de vista a las antenas (del tamaño de una
carpeta de tres anillas) de los suscriptores. Esta, viaja a través un cable coaxial
hacia una caja o radio base que decodifica y descomprime las señales en una
normal de televisión. Debido a que las transmisiones microondas de MMDS
rebotan de objetos en su camino, el servicio se ve afectado por edificios elevados
lluvias y otras variaciones atmosféricas. Por muchos años, la tecnología MMDS
transmitió la información en forma analógica, lo que limitó el servicio a no más de
33 canales de televisión. La compresión digital está solucionando estas
limitaciones con transmisores digitales que dividen cada canal MMDS en
diferentes canales virtuales. El resultado es más de cien canales que tienen una
mejor recepción porque una señal puede ser más fuerte cuando está diseminada
sobre diferentes canales virtuales. El número total de canales disponibles,
depende del ancho de banda de cada canal (determinado por el algoritmo de
compresión y el estándar de transmisión de TV de cada país.) Se espera que la
tecnología MMDS madure hasta el punto en el cual los operadores puedan ofrecer
113
REDES DE ACCESO
300 canales de alta definición a los clientes en un radio de aproximadamente 64.5
Km. de una antena simple.
Algunos proveedores de MMDS están digitalizando sus sistemas y la mayoría de
los nuevos proveedores ya son digitales. En Canadá, por ejemplo, donde las
oportunidades de competencia entre los operadores de cable se ha abierto
recientemente, los operadores de MMDS han implementado sistemas digitales
también. Las señales digitales, se desenvuelven mejor con respecto a los retos
topográficos y a las transmisiones de línea de vista. Debido a que éstas pueden
ser regeneradas sin perder la calidad, diferentes transmisores acostumbran
trabajar sin importar las dificultades topográficas.
MMDS es la sigla del sistema utilizado: Microwave Multipoint Distribution
System (Sistema de Distribución de microondas Multipunto) que constituye una
alternativa viable al cable en especial en zonas de baja densidad de población y
donde es necesario aportar la oferta de televisión por abonados.
Figura 3.6 Antena para trasmitir MMDS
3.2.1 MMDS DE BANDA ANCHA
114
REDES DE ACCESO
Las siglas MMDS significan en ingles "Sistemas Multicanales de
Distribución por Microondas", una tecnología desarrollada para transmitir varios
canales de televisión desde un punto de origen que se denomina la Cabecera a
los subscriptores que estén dentro del radio de alcance del transmisor. Cada
subscriptor recibe la señal de televisión a través de una antena integrada con un
convertidor de frecuencia de bajo costo y un descodificador o STB (Set Top Box)
junto al televisor. Los sistemas de MMDS constituyen una alternativa inalámbrica a
la Televisión por Cable, dado que proporcionan los mismos servicios, y por esa
razón el MMDS se llama también "Cable Inalámbrico."
El servicio de MMDS se desarrollo originalmente para transmitir 31 canales
de TV analógicos en una banda de 186 MHz de ancha, desde los 2,500 a 2,686
MHz. Aunque la mayoría de los sistemas de MMDS fabricados por Cable AML
operan en las frecuencias estándar de MMDS, también fabricamos sistemas en
frecuencias no estándar como 2.3 GHz, 8 GHz, e incluso 14 GHz.
Figura 3.7 MMDS Banda Ancha
Las tecnologías digitales hoy en día han mejorado los sistemas de MMDS
de dos maneras.
115
REDES DE ACCESO
1. En lugar de llevar sólo un programa de TV analógico, cada canal
ahora puede llevar varios programas digitales, con lo que se
multiplica por seis el número de programas que pueden transmitirse
en el mismo acho de banda.
2. Si se utiliza un canal para transmitir datos en formato IP y se agrega
un canal de retorno, el sistema de MMDS puede utilizarse para
transmisión de datos y acceso inalámbrico al Internet.
El servicio de distribución de múltiples puntos de varios canales, también
conocido como MMDS o cable sin hilos, es una tecnología sin hilos de las
telecomunicaciones, usada para el establecimiento de una red de banda ancha de
uso general o, más comúnmente, como método alternativo de recepción de
programación de la televisión por cable. MMDS se utiliza en los Estados Unidos y
otros países, incluyendo Canadá, México, Irlanda, el Brasil, Australia y Paquistán,
generalmente en áreas rurales escaso pobladas, en donde poniendo los cables no
es económicamente viable
3.2.2 Tecnología
La venda de MMDS utiliza frecuencias microondas a partir de 2 gigahertz a
3 gigahertz en gama. La recepción de las señales MMDS-entregadas de la
televisión se hace con una antena especial de la microonda del tejado y una caja
de la fijar-tapa para la televisión que recibe las señales. La caja del receptor es
muy similar en aspecto a una caja análoga del receptor de la televisión por cable.
La venda de MMDS se separa en once “acanala” que sean “auctioned” apagado
como otras vendas. La idea era que las entidades podrían poseer varios canales y
multiplexar vario la televisión y los canales de radio sobre cada canal usando
tecnología digital. Cada “canal” era capaz de 10 Mbit/s, exclusivo de cualquier
tecnología delantera de la corrección de error que se requiera para este tipo de
tecnología. En los servicios de cable sin hilos nunca materializaron, en la parte
grande debido a los scams de la inversión por de radio popular hablar-demostrar
116
REDES DE ACCESO
los anfitriones [citación necesitada], y el hecho de que la televisión digital de ATSC
llenaría las necesidades previstas de MMDS. Comenzando en 2006, las
frecuencias de MMDS en la gama de 2110-2155 megaciclo se están reasignando
para los servicios sin hilos avanzados. El hacer una oferta para este nuevo
espectro de la FCC comenzó el 9 de agosto de 2006, con eficacia matando a
MMDS y al cable sin hilos en los Estados Unidos. En ciertas áreas, MMDS se está
desplegando para el uso como acceso de alta velocidad sin hilos del Internet,
sobre todo en áreas rurales donde están inasequibles (por ejemplo el cable o el
DSL) o prohibitivo costosos otros tipos de Internet de alta velocidad (por ejemplo
Internet basado en los satélites). En Canadá, mirar la televisión digital de las
ofertas de las comunicaciones y el Internet de alta velocidad bidireccional sin hilos
de tus transmisores de MMDS situados en Ontario y Québec. La gama puede
estar a hasta 25 kilómetros de las torres que transmiten para su servicio
bidireccional del Internet. Ofrecen 3 Mbit/s para la transferencia directa (de torre)
modulada en QAM y 200 kbit/s para el upload (de la torre instalada en tu hogar)
modulado en QPSK. Las compañías similares están proveyendo de Internet sin
hilos.
MMDS es un acrónimo de Multichannel multipoint distribution service, e
identifica a una tecnología inalámbrica de telecomunicaciones, usada para el
establecimiento de una red de banda ancha de uso general o, más comúnmente,
como método alternativo de recepción de programación de televisión por cable.
Se utiliza generalmente en áreas rurales poco pobladas, en donde instalar
redes de cable no es económicamente viable. La banda de MMDS utiliza
frecuencias microondas con rangos de 2 GHZ a 3 GHZ en gama. La recepción de
las señales entregadas vía MMDS requiere una antena especial de microondas, y
un decodificador que se conecta al receptor de televisión.
El MMDS constituye una alternativa viable al cable, en especial en zonas de
baja densidad de población donde el coste técnico y económico lo hace poco
interesante.
117
REDES DE ACCESO
Aspectos técnicos.El MMDS utiliza una red de difusión similar a las utilizadas en UHF y VHF
tradicionalmente pero la de frecuencia de trabajo es de 262.5 GHz, si bien algunos
utilizan la banda Ku (10.7 a 13 GHz), que es la usada mayoritariamente en
Europa para transmisión por satélite. Las potencias requeridas son del orden de
100 W, mucho menores que en UHF y VHF.
La perspectiva económica en estos sistemas están consiguiendo una
eficiencia técnica y (sobretodo) económica muy superior a la del cable. Ofrece a
los abonados una oferta similar a la del cable con un precio mucho menor.
Se considera que cablear un municipio es entre un 25 y un 40 % más caro que
utilizar MMDS. Un emisor de 50 canales tiene un coste entre 20 y 40 millones de
pesetas y las torres de emisión de 800.000 a 8 millones de pesetas.
Ventajas de MMDS Equipos de transmisión empleados son muy similares a los empleados
en las redes de cable y están disponibles en multitud de formatos.
Gran variedad de antenas
Cuanto mayor es dicha distancia, tanto mayores son el tamaño y la
ganancia de las antenas.
Requiere de un convertidor de fr4ecuencias que traslade la señal
recibida a otra compatible con los receptores de TV de los usuarios.
Visión directa entre las antenas transmisora y receptora, puesto que a
estas frecuencias la propagación de las señales es muy sensible a los
obstáculos.
3.3 MVDS
118
REDES DE ACCESO
Los sistemas MVDS soportan la difusión de televisión digital y los servicios
de voz y datos interactivos. Este sistema, con mayor penetración en Europa que
en el resto del mundo, garantiza la compatibilidad con la RDSI ofreciendo
capacidades de Nx64 Kbps (hasta un máximo de 2 Mbps) y opera en la banda de
los 40 Ghz.
Se trata de un sistema asimétrico, con canales descendentes de 40 Mhz y
un canal ascendente de 100 MHz compartido entre todos los usuarios de una
misma célula. Sin embargo, existe una marcad tendencia hacia los sistemas
simétricos.
Al igual que LMDS, MVDS presenta una arquitectura celular con una red de
distribución óptica que lleva las señales a las estaciones base encargadas de
prestar servicio a los usuarios de su célula. Sin embargo, las elevadas pérdidas
que suponen los obstáculos que encuentra la señal a estas frecuencias suponen
el mayor problema para la implementación del sistema MVDS, principalmente en
entornos urbanos o suburbanos, en los que resulta muy difícil garantizar la visión
directa entre la antena de la estación base y la de cada uno de los terminales de
usuario.
119
CAPITULO 4
4 COMUNICACIONES SATELITALES
Objetivo:
Dar a conocer cual es la constitución de un sistema satelital, además de
describir cada una de las partes que constituyen a este tipo de sistema de
comunicación. Conocer los sistemas básicos de un satélite, así como las
diferentes frecuencias que estos manejan.
120
COMUNICACIONES SATELITALES
INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES SATELITALES
Un sistema satelital consiste de un transponder mejor conocido como
satélite (un satélite puede definirse como un repetidor de radio en el cielo), una
estación base en la Tierra, para controlar su funcionamiento, y una red de usuario.
Las transmisiones de satélite se catalogan como bus y como carga útil. La de
carga útil es la información del usuario que será transportada a través del sistema,
la de bus incluye mecanismos de control que apoyan la operación de carga útil. En
el caso de radiodifusión directa de televisión vía satélite el servicio que se da es de
tipo unidireccional por lo que normalmente se requiere una estación transmisora
única, que emite los programas hacia el satélite, y varias estaciones terrenas de
recepción, que solamente toman las señales provenientes del satélite. Existen
otros tipos de servicios que son bidireccionales donde las estaciones terrenas son
de transmisión y de recepción. Uno de los requisitos más importantes del sistema
es conseguir que las estaciones sean lo más económicas posibles para que
puedan ser accesibles a un gran numero de usuarios, lo que se consigue
utilizando antenas de diámetro chico y transmisores de baja potencia. Sin
embargo hay que destacar que es la economía de escala (en aquellas
aplicaciones que lo permiten) el factor determinante para la reducción de los
costos.
121
COMUNICACIONES SATELITALES
4.1 COMUNICACIÓN SATELITAL
El siglo XX ha sido denominado el de las comunicaciones espaciales, ya
que se ha alcanzado la tecnología necesaria para poner en órbita diferentes
satélites artificiales; esto se logró como resultado de años de investigación, trabajo
y por la gran visión tecnológica de muchos hombres en el mundo.
Sistema por Línea de Vista.La mayoría de los sistemas de comunicación por radio, en la región de las
microondas que están en uso actualmente, se pueden clasificar en dos categorías
principales:
Sistema con línea de vista. Los sistemas por línea de vista (LOS)
emplean relativamente baja potencia de transmisión sobre trayectorias
de 15 a 75 Km. de longitud por enlace (después de la cual se requiere
una estación repetidora), para sistemas de comunicación instalados en
tierra.
Los sistemas por línea de vista también se emplean en la comunicación
por satélite sobre grandes distancias en el espacio, ya que el satélite es
una estación repetidora a nivel de R.F. y cumple con las características
de las estaciones repetidoras de un enlace por línea de vista. Para
salvar el problema de la gran distancia, se emplean antenas con gran
directividad.
Sistema sobre el horizonte (Troposféricos). Los sistemas sobre el
horizonte emplean altas potencias de transmisión, por ejemplo del orden
de 100 watts o más, para trayectorias de 75 a 1000 Km. de longitud de
enlace.
122
COMUNICACIONES SATELITALES
Fig. 4.1 Sistema por Línea de Vista
Fig. 4.2 Sistema Sobre el Horizonte o Sistema Troposférico
123
COMUNICACIONES SATELITALES
4.1.1 Modelos de Enlace del Sistema Satelital
Esencialmente, un sistema satelital consiste de tres secciones básicas: una
subida, un transponder satelital y una bajada.
Modelo de Subida. El principal componente dentro de la sección de
subida satelital, es el transmisor de estación terrena. Un típico
transmisor de la estación terrena consiste de un modulador de IF, un
convertidor de microondas de IF a RF, un amplificador de alta potencia
(HPA) y algún medio para limitar la banda del último espectro de salida
(por ejemplo, un filtro pasa-bandas de salida). El modulador de IF
convierte las señales de banda base de entrada a una frecuencia
intermedia modulada en FM, BPSK o en QAM. El convertidor
(mezclador y filtro pasa-bandas) convierte la IF a una frecuencia de
portadora de RF apropiada. El HPA proporciona una sensibilidad de
entrada adecuada y potencia de salida para propagar la señal al
transponder del satélite. Los HPA comúnmente usados son Klystons y
tubos de onda progresiva.
Transponder. Un típico transponder satelital consta de un dispositivo
para limitar la banda de entrada (BPF), un amplificador de bajo ruido de
entrada (LNA), un transponder de frecuencias, un amplificador de
potencia de bajo nivel y un filtro pasa-bandas de salida. Este
transponder es un repetidor de RF a RF. Otras configuraciones de
transponder son los repetidores de IF, y de banda base, semejantes a
los que se usan en los repetidores de microondas.
Modelo de Bajada. Un receptor de estación terrena incluye un BPF de
entrada, un LNA y un convertidor de RF a IF. Nuevamente, el BPF limita
la potencia del ruido de entrada al LNA. El LNA es un dispositivo
altamente sensible, con poco ruido, tal como un amplificador de diodo
túnel o un amplificador paramétrico. El convertidor de RF a IF es una
combinación de filtro pasa-bandas/mezclador que convierte la señal de
RF recibida a una frecuencia de IF.
124
COMUNICACIONES SATELITALES
Enlaces Cruzados Ocasionalmente, hay aplicaciones en donde es necesario comunicarse
entre satélites. Esto se realiza usando enlaces cruzados entre satélites o enlaces
intersatelitales (ISL). Una desventaja de usar un ISL es que el transmisor y
receptor son enviados ambos al espacio.
4.1.2 Estación Terrena de Comunicaciones
La principal función de la estación terrena es la adecuación de las señales,
por ejemplo de TV, para su transmisión al satélite, desde donde se realiza la
radiodifusión de las mismas. Dependiendo del tipo de estación, ésta se puede
encargar de transmitir y/o recibir información, controlar el estado del satélite y su
situación orbital. Los tipos principales de estaciones son: Pequeñas estaciones
receptoras de TV por satélite DBS; estaciones terrenas portátiles (deportes,
conferencias); Estaciones o terminales VSAT, Terminales de Abertura Muy
Pequeña (redes de difusión, transmisión de datos privados, intercambio de datos,
etc.); y Grandes estaciones de comunicaciones internacionales.
Su diseño es conceptualmente el mismo que una estación convencional de
comunicaciones dado que, en principio, el procesamiento de la señal a transmitir
es similar en todos los casos. Por consiguiente, la estación estará formada por el
subsistema de antena, subsistema de seguimiento, transmisión/recepción en
radiofrecuencia, etapa de conversión de frecuencia, modulación-demodulación,
conexión con el Centro de Programas y suministro de energía eléctrica.
Las cadenas de recepción no son estrictamente necesarias, ya que la
radiodifusión implica una comunicación unidireccional, sin embargo, es muy
conveniente poder supervisar las portadoras transmitidas a través del satélite, por
lo que se debe considerar a las cadenas de recepción como parte integrante de la
125
COMUNICACIONES SATELITALES
estación. El dimensionado, configuración e interconexión de sus diferentes
subsistemas estará en función de las características técnicas del satélite, del
número de canales a transmitir, así como la filosofía de redundancia que se
adopte para los diferentes subsistemas.
La vía de transmisión consta de:
Interconexión con las señales de entrada de la banda base.
Procesamiento de la banda base.
Convertidor de IF a RF.
Amplificador de gran potencia AGP.
Klinston de gran potencia.
Alimentación de la antena.
Antena parabólica.
Para la recepción podemos considerar que es como la imagen de un
espejo:
Antena parabólica.
Convertidor de RF a IF.
Procesamiento de la banda base.
Interconexión con la salida de la banda base.
Amplificador de nivel bajo de ruidos de alimentación ANBA.
El diseño de las estaciones terrestres ha progresado mucho. Además de las
estaciones terrestres fijas que desempeñan papeles estratégicos existen:
Terminales de abertura muy pequeña TAMP.
Estaciones terrestres transportables.
Estaciones de conexión portátiles ligeras de transporte aéreo.
126
COMUNICACIONES SATELITALES
4.1.3 Antenas (Reflectores parabólicos)
Los reflectores parabólicos (comúnmente llamados por error o por
costumbre antenas) han sido el símbolo de las estaciones terrenas para
comunicaciones por satélite. Existen además de los reflectores paraboloides o
Prime Focus (figura a) otros tipos de antenas muy ampliamente usados en el
campo de las comunicaciones, tales como los reflectores Fuera de foco (figura c),
Casssegrain (figura b) y los platos tipos Gregorianos.
Figura 4.3 Reflectores Parabólicos
4.1.4 Características de un Enlace Satelital
La estación terrena transmisora se caracteriza por el P.I.R.E (Potencia
Isotrópica Radiada Efectiva). Esto de hecho esta relacionado a la potencia del
transmisor y la ganancia de la antena en la frecuencia de transmisión. La estación
127
COMUNICACIONES SATELITALES
terrena receptora se caracteriza por una figura de mérito (G/T) y la Frecuencia
Intermedia (IF) de banda ancha.
Cada elemento en la cadena de recepción puede ser asignada a una
temperatura de ruido, la cual es una medida de potencia de ruido contribuida por
el elemento por unidad de ancho de banda. Esas contribuciones son combinadas
para reflejar la potencia de ruido por la distribución de la ganancia a través de la
cadena. En general, la temperatura de ruido de el sistema es determinado
primariamente por la antena, al amplificador de bajo ruido (LNA) y los
componentes de acople de esos elementos. La suma de pequeñas pérdidas, tales
como la atenuación en el cable, entre el LNA y la antena puede resultar en
degradación significante de la figura de mérito G/T.
El transponder también juega un papel bien importante en un enlace
satelital, éste se encuentra dentro del satélite y cuyas funciones básicas son las
siguientes:
Amplificación de la señal
Aislamiento de canales adyacentes
Traslación de frecuencias
Por último, también el ambiente determina en gran medida el éxito o el
fracaso de un enlace satelital y es aquí donde se generan las mayores pérdidas,
ocasionadas por el largo trayecto de la señal propagada desde un satélite en el
caso más extremo 36,000 km de distancia.
Entre los principales factores que ocasionan la degradación de la señal se
encuentran la lluvia, la nieve, la absorción atmosférica, las pérdidas por el espacio
libre, entre otras.
128
COMUNICACIONES SATELITALES
Para medir o cuantificar un buen enlace satelital se debe tomar muy en
cuenta la relación Portadora a ruido (C/N, Carrier to Noise) que se genera al hacer
unos cálculos con los parámetros del enlace.
Primero se debe calcular la relación portadora a ruido del enlace de subida
(C/Nup), después se deberá calcular la relación portadora a ruido pero ahora del
enlace de bajada (C/Ndown). La relación portadora total del enlace se determinara
por la siguiente ecuación:
Así por ejemplo si C/Nup = 10 dB y C/Ndown = 2 dB
PIREET = PIRE de la estación terrena transmisora (dB)
G/TSAT=figura de mérito de la antena del satélite (dB)
k = constante de Boltzman (228.6 dB)
Pel= pérdidas por espacio libre
Pll = pérdidas por lluvia
Papun= pérdidas por apuntamiento
Patm = pérdidas atmosféricas
Ppol = pérdidas por polarización
PIRESAT = PIRE en saturación del satélite (dB)
129
COMUNICACIONES SATELITALES
G/TETR= G/T de la estación terrena receptora (dB)
k = constante de Boltzman (228.6 dB)
Pel= pérdidas por espacio libre
Pll = pérdidas por lluvia
Pmisc= pérdidas misceláneas
4.2 TIPOS DE SATÉLITES
Satélite Natural. Es un cuerpo celeste animado con movimiento de
translación entorno, generalmente, de un planeta.
Satélite Artificial. Es un elemento físico capaz de recibir y transmitir señales
en forma analógica o digital de alta calidad, está colocado en órbita por las
necesidades que tiene el hombre para recibir y transmitir información a cualquier
punto de la Tierra. La mayoría de los satélites de comunicación se colocan en el
arco satelital; es decir, se encuentran en la órbita geosíncrona o geoestacionaria,
a una altura aproximada de 36,000 Km sobre el Ecuador; su velocidad es igual a
la de la rotación terrestre y giran sobre su propio eje; por ello, cada satélite parece
inmóvil con respecto a la Tierra, permitiendo que las antenas fijas apunten
directamente hacia cualquier satélite.
Figura 4.4 imagen de un satélite artificial
130
COMUNICACIONES SATELITALES
Un satélite es capaz de recibir y transmitir datos, audio y video en forma
analógica o digital de alta calidad y en forma inmediata. Está formado por
transpondedores El satélite toma su energía de la radiación solar, cada satélite
tiene un tiempo de vida determinado que varía según la cantidad de combustible
que posee. Dicho combustible sirve para mover al satélite cada vez que éste se
sale de su órbita, si el satélite pierde su posición y no tiene combustible, no hay
manera de regresarlo ya que es atraído por las fuerzas espaciales hasta que se
pierde. El satélite tiene un margen bien determinado en el espacio, como un cubo
imaginario de aproximadamente 75 Km por lado, en el cual se desplaza sin salirse
de control.
Satélites Orbitales. Los satélites orbitales o no síncronos giran alrededor
de la Tierra en un patrón elíptico o circular de baja altitud. Si el satélite
esta girando en la misma dirección de la rotación de la Tierra y a una
velocidad angular superior que la de la Tierra, la órbita se llama órbita
progrado. Por el contrario, si el satélite esta girando en la dirección
opuesta a la rotación de la Tierra o en la misma dirección, pero a una
velocidad angular menor a la de la Tierra, la órbita se llama órbita
retrograda. Consecuentemente, los satélites no síncronos están
alejándose continuamente o cayendo a Tierra, y no permanecen
estacionarios en relación a ningún punto particular de la Tierra. Por lo
tanto los satélites no síncronos se tienen que usar cuando están
disponibles, lo cual puede ser un corto periodo de tiempo, como 15
minutos por órbita. Otra desventaja de los satélites orbitales es la
necesidad de usar un equipo costoso y complicado para rastreo en las
estaciones terrestres. Cada estación terrestre debe localizar el satélite
conforme esta disponible en cada órbita, y después unir su antena al
satélite y localizarlo cuando pasa por arriba. Una gran ventaja de los
satélites orbitales es que los motores de propulsión no se requieren a
bordo de los satélites para mantenerlos en sus órbitas respectivas.
131
COMUNICACIONES SATELITALES
Satélites Geoestacionarios. Los satélites geoestacionarios o
geosíncronos son satélites que giran en un patrón circular, con una
velocidad angular igual a la de la Tierra. Consecuentemente
permanecen en una posición fija con respecto a un punto específico en
la Tierra. Una ventaja obvia es que están disponibles para todas las
estaciones de la Tierra, dentro de su sombra, 100% de las veces. La
sombra de un satélite incluye todas las estaciones de la Tierra que
tienen un camino visible a él y están dentro del patrón de radiación de
las antenas del satélite. Una desventaja obvia es que a bordo, se
requieren de dispositivos de propulsión sofisticados y pesados para
mantenerlos fijos en una órbita. El tiempo de órbita de un satélite
geosíncrono es de 24 h. igual que la Tierra.
Subsistemas de un SatéliteUn satélite generalmente se diseña en varios subsistemas para que al ser
puesto en órbita pueda ser controlado desde la tierra. Cuenta con los subsistemas
de potencia, propulsión, telemetría y comando, y el de comunicaciones, entre
otros.
Subsistema de Potencia. Éste genera y distribuye potencia eléctrica de
corriente directa para soportar las operaciones del satélite durante todas
las fases de la misión. La potencia primaria es proporcionada por
radiación solar a través de las celdas solares de alta densidad hasta el
fin de su vida; la potencia secundaria es proporcionada durante el
lanzamiento y los eclipses por un sistema de baterías de níquel-
hidrógeno.
Subsistema de Propulsión. Se trata de un sistema integral bipropelante
que permite la inserción en órbita, el control de orientación y las
funciones de mantenimiento en su órbita geosíncrona.
Subsistema de Telemetría y Comando. Éste proporciona la recepción y
demodulación de comandos en la banda C para su alineación en el cubo
132
COMUNICACIONES SATELITALES
imaginario de operación, y de comandos durante todas las fases de la
misión.
Figura 4.5 Diseño de un satélite
El satélite esta conformado por lo siguientes partes:
Arreglo de panes solares
Reflectores orientados al Este y al Oeste
Amplificador de antena
Antena dipolo para banda L
Varios subsistemas para el control del satélite.
133
COMUNICACIONES SATELITALES
Partes de un Satélite Artificial Subsistema de Comunicaciones. Este permite ampliar y diversificar los
servicios de comunicación satelital que actualmente existen, así como
optimizar el uso del segmento espacial al permitir nuevas técnicas de
explotación; también permite manejar las regiones de cobertura para la
comunicación en diferentes bandas, como la banda C, Ku y L.
Transponder. Es un dispositivo que forma parte del satélite, el cual
cuenta con varias antenas que reciben y envían señales desde y hacia
la Tierra. Los satélites tienen Transpondedores verticales y horizontales.
El transponder tiene como función principal amplificar la señal que
recibe de la estación terrena, cambiar la frecuencia y retransmitirla con
una cobertura amplia a una o varias estaciones terrenas. Recoge la
señal entrante de la antena receptora, ésta es amplificada por un LNA
(amplificador de bajo ruido), que incrementa la señal sin admitir ruido.
De la salida del LNA la señal es introducida a un filtro Pasa Banda (FPB)
para eliminar lo que no pertenece a la señal original y luego esta señal
se pasa a un convertidor de frecuencia (OSC) que reduce la señal a su
frecuencia descendente, ésta pasa para su amplificación final a un HPA
(amplificador de alta potencia, usualmente de 5 a 15 watts), que tiene un
amplificador de potencia de estado sólido (SSPA) como amplificador de
salida. Una vez concluido el proceso, la señal pasa a la antena
descendente y se realiza el enlace con la estación receptora.
Figura 4.6 Diseño físico de un transponder
134
COMUNICACIONES SATELITALES
Tipos de Transpondedores
Tabla 4.1 Tipos de transpondedores
Principales Funciones de un Transpondedor Recibir y transmitir señales.
Aumentar la potencia de las señales. Este proceso es indispensable, ya
que sin la potencia suficiente la información llegará en forma deficiente o
simplemente no se recibirá.
Disminuir la frecuencia e invertir la polaridad. Son dos maneras de evitar
que las señales, tanto de ascenso como de descenso, se interfieran y de
que existan pérdidas en la información.
4.3 CLASIFICACIONES ORBITALES, ESPACIAMIENTO Y ASIGNACIONES DE FRECUENCIA
Hay dos clasificaciones principales para los satélites de comunicaciones:
hiladores (spinners) y satélites estabilizadores de tres ejes. Los satélites hiladores,
utilizan el movimiento angular de su cuerpo giratorio para proporcionar una
estabilidad de giro. Mientras que con un estabilizador de tres ejes, el cuerpo
permanece fijo en relación a la superficie de la Tierra, mientras que el subsistema
interno proporciona una estabilización de giro.
Los satélites geosíncronos deben compartir espacio y espectro de
frecuencia limitados, dentro de un arco específico, en una órbita geoestacionaria,
135
COMUNICACIONES SATELITALES
aproximadamente a 22,300 millas, arriba del Ecuador. La posición en la ranura
depende de la banda de frecuencia de comunicación utilizada. Los satélites
trabajando, casi o en la misma frecuencia, deben estar lo suficientemente
separados en el espacio para evitar interferir uno con otro. Hay un límite realista
del número de estructuras satelitales que pueden estar estacionadas, en un área
específica en el espacio. La separación espacial requerida depende de las
siguientes variables:
Ancho del haz y radiación del lóbulo lateral de la estación terrena y antenas
del satélite.
Frecuencia de la portadora de RF.
Técnica de codificación o de modulación usada.
Límites aceptables de interferencia.
Potencia de la portadora de transmisión.
Generalmente, se requieren de 3 a 6º de separación espacial dependiendo
de las variables establecidas anteriormente.
Las frecuencias de la portadora, más comunes, usadas para las
comunicaciones por satélite, son las bandas 6/4 y 14/12 GHz. El primer número es
la frecuencia de subida (ascendente) (estación terrena a transponder) y el
segundo número es la frecuencia de bajada (descendente) (transponder a
estación terrena). Diferentes frecuencias de subida y de bajada se usan para
prevenir que ocurra repetición. Entre mas alta sea la frecuencia de la portadora,
más pequeño es el diámetro requerido de la antena para una ganancia específica.
La mayoría de los satélites domésticos utilizan la banda 6/4 GHz.
Desafortunadamente, esta banda también se usa extensamente para los sistemas
de microondas terrestres. Se debe tener cuidado cuando se diseña una red
satelital para evitar interferencia de, o interferencia con enlaces de microondas
establecidas.
136
COMUNICACIONES SATELITALES
4.4 PROCESAMIENTO DE SEÑAL
Para poder transmitir la señal una la Red, ésta debe pasar por una serie de
procesos en el transmisor que permiten ordenar la información en una trama de
bits. Este proceso se realiza empleando la compresión digital, múltiplexación,
codificación, decodificación, encriptación, modulación y demodulación mediante el
uso de la tecnología DVB.
El siguiente diagrama muestra el proceso que transforma a la señal de la
Red Edusat, a una forma adecuada para transmitirse vía satélite, la primera etapa
se realiza en el telepuerto de la DGTVE, y la segunda etapa la realiza el
decodificador.
Figura 4.7 Diagrama a bloques del procesamiento de la señal de la Red Edusat
137
COMUNICACIONES SATELITALES
ConclusionesA lo largo de este capitulo vimos que la comunicación vía satélite es de gran
utilidad, ya que gracias a los satélites es posible realizar intercambio de
información a través de grandes distancias y con gran calidad, sin embargo no es
una opción viable para las comunicaciones particulares, pues es necesario ya sea
poner en orbita un propio satélite o rentar el servicio de uno ya en orbita, y
cualquiera de ambas opciones es demasiado costosa.
También se dio una reseña de los modelos satelitales (enlaces necesarios
para que sea posible la comunicación satelital), como por ejemplo el enlace de
subida, o el enlace de bajada y en algunos casos los enlaces intersatelitales; en
esta parte se conoció el hecho de que cada enlace tiene una frecuencia de trabajo
y potencia diferente entre ellos, a pesar de que estos enlaces se encuentra en
interacción continua e ininterrumpida durante la comunicación, esto se logra
mediante el transponder satelital, que es en realidad el alma de un satélite, ya que
gracias a el es posible retransmitir la información que llega proveniente de la
estación terrena transmisora con una frecuencia de portadora de
aproximadamente 6 GHz, a una o varias estaciones terrenas receptoras con una
frecuencia aproximada de 4 GHz, y todo esto lo hace en tiempo real.
138
CAPITULO 5
5 WLAN (WIRELESS LAN)
Objetivo:
Conocer la arquitectura básica de las redes WLAN, así como su topología y
los diferentes protocolos que utiliza para las comunicaciones. Además de que se
darán a conocer algunas de las tecnologías WLAN que están en uso actualmente,
asi como las diferencias que existen entre ellas.
139
WIRELESS LAN
INTRODUCCIÓN A LAS REDES WIRELESS LAN
Tradicionalmente, las redes LAN corporativas se han construido utilizando
como medio de transmisión el cable de cobre. En algunas ocasiones, esto supone
costos de infraestructura elevados y además una mala adaptación a las
necesidades de negocio de la empresa en que se instalan. Por ejemplo, si la
compañía esta formada por comerciales que muy frecuentemente no se
encuentran en su puesto de trabajo, tender una red resulta caro e inútil ya que se
esta desplegando una compleja infraestructura que se utilizara en muy pocas
ocasiones. Para resolver estos problemas se desarrollaron las redes WLAN, cuyo
estándar mas conocido es 802.11 en cualquiera de sus variantes.
NOMBRE DESCRIPCIÓN
HiperLAN
Es un estándar de la ETSI que data de 1996. HiperLAN/1 opera en la banda de los 5 GHz a una velocidad de 24 Mbps. Hay otra versión,
HiperLAN/2, que en la misma banda consigue hasta 54 MBps a través de un protocolo orientado a la conexión para el acceso al
medio.
HomeRFSWAP
SWAP (Shared Gíreles Acces Protocol) es un estándar para comunicaciones digitales entre PC y dispositivos electrónicos en entornos de hogar. Soporta tanto comunicaciones de voz
como de datos sobre una interfaz radio común a velocidades de 1 y 2 Mbps y técnica de
espectro ensanchado en la banda de los 2,4 Ghz.
BluetoothAunque Bluetooth se considera una red
WPAN, existen aplicaciones WLAN en las que resulta ventajoso su empleo.
Tabla 5.1 Estándares WLAN
5.1 ARQUITECTURA 140
WIRELESS LAN
Una red 802.11 genérica esta dividida en celdas llamadas BBS (Basic
Service Set) que son zonas de cobertura gobernadas por una estación base o
punto de acceso (AP, Access Point). Para conseguir que los dispositivos de cada
BSS puedan comunicarse entre sí, es necesario que los AP se conecten a través
del sistema troncal de distribución (DS, Distribution System). Esta es la estructura
básica de una WLAN. Sin embargo, varios segmentos de esta se agrupan en una
estructura jerárquica superior llamada ESS (Extended Servicio SET). La siguiente
figura muestra la arquitectura de una red 802.11 genérica:
Figura 5.1 Componentes de una red IEEE 802.11
5.2 TOPOLOGÍAS
141
WIRELESS LAN
En una red WLAN se pueden distinguir dos tipos de configuraciones
diferentes, en función de que se utilicen puntos de acceso o no.
La configuración más sencilla son las redes ad-hoc, también conocidas
como configuración P2P (Peer-to-Peer), en las que los terminales móviles se
comunican directamente empleando para ello una tarjeta adaptadora para
comunicaciones inalámbricas. La única limitación es que los dispositivos se
encuentran dentro de sus respectivas áreas de cobertura.
Figura 5.2 Configuración ad hoc
La otra alternativa deriva de la extensión del concepto de cobertura celular
típico de las redes de telefonía móvil. En este caso, la estación base recibe el
nombre de punto de acceso y hace las veces de repetidor inalámbrico. Este tipo
de redes, mucho mas complejos, requiere de una planificación muy cuidadosa y
compleja, ya que los puntos de acceso deben distribuirse, estratégicamente para
evitar que algunas zonas se queden sin cobertura, evitar obstáculos, asegurar un
142
WIRELESS LAN
ancho de banda mínimo para cada usuario, etc. Un único punto de acceso puede
soportar un pequeño grupo de usuarios y, en función de las condiciones de
propagación, alcanzar un rango comprendido entre los 30 m y varios cientos de
metros.
Figura 5.3 Topología con punto de acceso.
Sin embargo, a pesar de ser mucho más complejas, ofrecen gran cantidad
de ventajas. Una de las más importantes es la movilidad. En efecto, un usuario
conectado a cierto punto de acceso puede desplazarse libremente por la zona de
cobertura de la red de modo que, si en algún momento, abandonara dicho punto
de acceso y pasase al área de cobertura de otro, las conexiones de mantendrían
(roaming).
Otra posibilidad es conectar varios segmentos de red a través de un
radioenlace. Estos enlaces pueden ser punto a punto o punto a multipunto. En el
primer caso, se utilizan antenas directas que bien en RF o bien en la banda
infrarroja, soportan el canal de comunicación entre los dos extremos. Por el
contrario, en los enlaces punto a multipunto, las antenas tienen un ancho de haz
mucho mas amplio.
En cualquiera de las posibilidades anteriores es posible ampliar la zona de
cobertura en ciertas zonas mediante la utilización de antenas.
143
WIRELESS LAN
5.3 PILA DE PROTOCOLOS
El estándar 802.11, como cualquier protocolo 802.x, especifica los
requisitos para el nivel físico y el subnivel de MAC.
Figura 5.4 Pila de protocolos IEEE 802.11
Existen tres niveles físicos: FHSS, en la banda de 2,4 GHz, DSSS también
en la banda de 2,4 Ghz y el último en la banda infrarroja.
Sobre el nivel físico, se encuentra el nivel de MAC, encargado de funciones
tales como la fragmentación, el arbitrio del acceso al medio compartido o la
retransmisión de paquetes.
5.4 ITINERANCIA
802.11
MAC
FM DS IR
Nivel de Enlace
de Datos
Nivel físico
144
WIRELESS LAN
Un usuario inalámbrico accede a los recursos de la red a través de punto
de acceso que da cobertura a una cierta área. Cuando el usuario se desplaza,
puede ocurrir que salga de los limites de la celda del punto de acceso al que esta
conectado y entre dentro del área que cubre otro punto de acceso. En ese
momento, la red efectúa un proceso de handover o asociación mediante el que el
usuario es conectado a un segundo punto de acceso de manera transparente para
el. Esta capacitada de la red recibe el nombre de itinerancia o roaming.
El proceso es muy similar al llevado en redes de telefonía móvil, aunque
presenta dos diferencias principales. En primer lugar, una red WLAN esta basada
en paquetes, por lo que en el roaming puede efectuarse en los intervalos de
transmisión entre paquetes, por lo que el roaming puede efectuarse en los
intervalos de transmisión entre paquetes a diferencia de los que ocurre en la
redes telefónicas en las que el roaming se parte, en una red de voz una perdida
temporal de la conexión no afecta a la conversación, mientras que en una red
basada en paquetes reduce considerablemente las prestaciones de la red debido
a las retransmisiones de información que harán las capas superiores.
El estándar 802.11 no estipula ningún modo particular para la
implementación del roaming, dejando a cada vendedor libertad a la hora de
escoger el algoritmo que más le convenga. El punto crítico de cualquier algoritmo
de roaming son los criterios en que se basa para tomar la desición de handover,
es decir, de cuando el dispositivo del usuario debe conectarse a otro punto de
acceso. Esta situación es muy similar a ala que se produce cuando se enciende el
dispositivo: este debe determinar que puntos de acceso existen a su alrededor.
Otro aspecto importante es el tiempo invertido en llevar a cabo todo el proceso,
que también varia en función del fabricante. Así en el mejor de los casos,
encontramos tiempos de roaming de 200 ms, aunque, generalmente, se encuentra
alrededor de 1 s. en este sentido, hay que tener en cuenta que el roaming entre
puntos de acceso de distintos fabricantes, cuando es posible, implica un tiempo de
145
WIRELESS LAN
roaming mucho mayor. Sin embargo, lo que si ofrece el estándar 802.11 son
algunos mecanismos que fracilit5an la implementación de algoritmos de roaming.
Los dispositivos de usuario (PCA, PDA, etc.) emplean los ACK
(Acknowledment) para determinar cuanto se han separado del punto de acceso.
Cuando un nodo envía una tarma de datos, dispone de una ventana temporal
dentro de la que espera obtener un reconocimiento. Si el reconocimiento no llega
dentro de esta ventana, se asume que la trama en cuestión se ha perdido y se
retransmite. Hay que hacer notar que el hecho de que el ACK no se reciba no
implica necesariamente el extravío de la trama asociada. En efecto, puede ocurrir
que la trama haya llegado errónea o que las prestaciones del enlace sean
demasiado bajas y se haya retrasado. En cualquier caso, la consecuencia es la
misma.
Por otra parte, los puntos de acceso envían periódicamente unas tramas de
gestión llamadas beacon. Estas tramas, entre otras cosas, contienen el SSID
(Service Set Identifier), las velocidades soportadas, si el punto de acceso trabaja
con salto en frecuencia o con secuencia directa y la capacidad de dicho punto de
acceso. Estas tramas son difundidas desde el punto de acceso a toda la red y el
intervalo de envió es configurable por el administrador de la red.
Estas dos herramientas, las tramas de ACK y las tramas de beacon, se
toman como base a la hora de evaluar la desición de handover. Si el número de
ACK o beacon extraviado comienza a crecer, por tanto, iniciar un proceso de
búsqueda que lo asocie a otro. No obstante, el modo de manejar esta información
o para tomar la desición final depende del criterio del fabricante. Para solucionar
este problema, se ha definido la norma 802.11f, que especifica un protocolo para
el punto de acceso que proporciona la información necesaria para efectuar el
roaming entre puntos de acceso de diferentes vendedores.
146
WIRELESS LAN
5.5 SEGURIDAD
El primer paso para diseñar una política de acceso seguro es identificar las
potenciales amenazas. Por las características inherentes a una red inalámbrica,
cualquier usuario podría conectarse su propio punto de acceso aislado que
conecte, por ejemplo, los dispositivos de casa de un usuario que constituye una
posible fuente de interferencias para puntos de acceso “registrados”,
disminuyendo las prestaciones de la red y además, abriendo la puerta a posibles
ataques. Otro aspecto a tener en cuenta son los dispositivos inhibidos que
introducen a un ruido interferente (jamming) que impide que la transmisión sea
posible. Finalmente, un usuario no autorizado (un hacker, por ejemplo) puede
intentar acceder a la red para propósitos poco honrosos.
Cualquier red inalámbrica se caracteriza porque emplea como medio de
transmisión el aire. Esto quiere decir que, al menos en principio, cualquier persona
equipadas con los dispositivos adecuados puede accede a la información que
transmita por la red. Por esta razón, es necesario tomar medidas que eviten, por
un lado, que usuarios no autorizados, se conecten a la red (o ciertos servicios que
se implementan sobre ella) y, por otro, la confidencialidad de las comunicaciones
entre dos usuarios.
Los mecanismos de seguridad que define el estándar 802.11 se pueden
clasificar en dos grupos: cifrado y autentificación. Aunque estas herramientas de
seguridad son suficientes en los casos de pequeñas empresas o en situaciones en
las que los datos que se transmiten no son críticos, es necesario definir soluciones
de seguridad más robustas. Por este motivo, se ha definido el estándar 802.11i,
que especifica las acciones a tener en cuenta para disponer de una red WLAN
segura.
147
WIRELESS LAN
5.6 CIFRADO
Cifrado es el proceso mediante el cual cierta información o "texto plano" es
encriptado de forma que el resultado sea ilegible a menos que se conozcan los
datos necesarios para su interpretación.
El mecanismo de encriptación de tramas definido por 802.11, que emplea
un cifrador de flujo RC4, recibe el nombre de WEP (Wireless Equivalent Privacy).
Se trata de un cifrador de flujo simétrico que trabaja con una clave de longitud
variable (hasta 256 bytes). Al ser simétrico, la clave es compartida por los dos
extremos de la comunicación.
Con el fin d evitar que el mismo texto en claro no genere el mismo texto
cifrado, el estándar especifica un vector de inicialización que se adjunta a la calve
simétrica antes de generar los datos cifrados.
Figura 5.5 Cifrado WEP
IV Clave base
Datos en claro
RC4
XOR Datos cifrados
Cifrador de flujo
148
WIRELESS LAN
El vector de inicialización (IV, Initialization vector) está formado por 24 bits
cuyo valor se aconseja (aunque no se obliga) cambiar en cada trama. Dado que el
origen genera el IV sin ningún patrón fijo, se debe enviar al receptor sin encriptar
en la cabecera de la trama 802.11 de este modo, el receptor lo añadirá a la clave
WEP que tienen guardada localmente y así podrá desencriptar las tramas de
información. WEP exige, pues, que los dos extremos de la comunicación
compartan la mismas clave secreta, pero el estándar no indica nada sobre el
modo en que las claves deben distribuirse. Sin un mecanismo automático de
distribución de claves, cualquier protocolo de encriptado es susceptible a los
errores humanos.
Código de Encriptación Simétrica:
public class MiRijndael{
public static byte[] Encriptar(string strEncriptar, byte[] bytPK){
Rijndael miRijndael = Rijndael.Create();byte[] encrypted = null;byte[] returnValue = null;
try{
miRijndael.Key = bytPK;miRijndael.GenerateIV();
byte[] toEncrypt = System.Text.Encoding.UTF8.GetBytes(strEncriptar);
encrypted = (miRijndael.CreateEncryptor()).TransformFinalBlock(toEncrypt, 0, toEncrypt.Length);
returnValue = new byte[miRijndael.IV.Length + encrypted.Length];
miRijndael.IV.CopyTo(returnValue, 0);encrypted.CopyTo(returnValue, miRijndael.IV.Length);
}catch { }finally { miRijndael.Clear(); }
return returnValue;}
public static string Desencriptar(byte[] bytDesEncriptar, byte[] bytPK)
{Rijndael miRijndael = Rijndael.Create();
149
WIRELESS LAN
byte[] tempArray = new byte[miRijndael.IV.Length];byte[] encrypted = new byte[bytDesEncriptar.Length -
miRijndael.IV.Length];string returnValue = string.Empty;
try{
miRijndael.Key = bytPK;
Array.Copy(bytDesEncriptar, tempArray, tempArray.Length);
Array.Copy(bytDesEncriptar, tempArray.Length, encrypted, 0, encrypted.Length);
miRijndael.IV = tempArray;
returnValue = System.Text.Encoding.UTF8.GetString((miRijndael.CreateDecryptor()).TransformFinalBlock(encrypted, 0, encrypted.Length));
}catch { }finally { miRijndael.Clear(); }
return returnValue;}
public static byte[] Encriptar(string strEncriptar, string strPK){
return Encriptar(strEncriptar, (new PasswordDeriveBytes(strPK, null)).GetBytes(32));
}
public static string Desencriptar(byte[] bytDesEncriptar, string strPK)
{return Desencriptar(bytDesEncriptar, (new
PasswordDeriveBytes(strPK, null)).GetBytes(32));}
}
5.7 ESPECIFICACIONES
El estándar 802.11 es, en realidad, un conjunto de especificaciones que
abarcan todos los aspectos de una red WLAN. Las especificaciones de nivel físico
(802.11a, 802.11b, 802.11g) definen las técnicas de modulación y el
procesamiento de la señal a bajo nivel. Por otra parte, las normas 802.11e y
802.11i describen robustos mecanismos de QoS y de seguridad. Además, 802.11h
y 802.11j procuran la interoperabilidad entre los productos de diferentes
continentes. Finalmente, 802.1X soporte la autentificación de usuarios.
150
WIRELESS LAN
802.11a: Los dispositivos que operan en este protocolo lo hacen en
frecuencias de 5 GHz y no en 2,4 GHz como los anteriores, por tanto, no
hay compatibilidad entre unos y otros... ten cuidado con ello, si usas
dispositivos 802.11 u 802.11b junto con dispositivos 802.11a. Utilizando
una tecnología de modulación llamada OFDM (Múltiplexión por división
de tiempo ortogonal), en bandas de frecuencia de los 5 GHz 802.11a
puede transmitir a 54 Mbps aunque muchos fabricantes ofrecen
velocidades de tasa doblada, pudiendo alcanzar los 108 Mbps, pero es
tecnología “de propietario” y puede no ser compatible con otros
estándares o ante dispositivos de distintos fabricantes.
Figura 5.6 Algunos de los estándares IEEE 802.11
80.2.11iseguridad
802.11fProtocolo entre
punto de acceso
802.11cQoS
MAC
Mgmt
PHY
M
M
I
BDSSS FH IR
OFDM
LLC
802.11b5.11 Mbps
802.11g20 + Mbps
802.11a9, 9, 12, 18,2436, 48,54 Mbps
MAC
WEP
151
WIRELESS LAN
Aunque debiera haber sido el sucesor lógico de 802.11b, no lo es como
tal... ambos son incompatibles y la distancia a cubrir por ellos es la mitad
que el de los estándar.
802.11b: El sucesor de 802.11 fue 802.11b, también es DSSS y puede
operar a 1,2, 5.5 u 11 Mbps, estos dispositivos son compatibles con el
anterior (802.11). Aunque su tasa puede llegar a los 11Mbps, no te
fíes... muchos de ellos dan problemas y terminan funcionando a 1 ó 2
Mbps, sobre todo cuando conectamos la red “sin cables” a la red
cableada.
802.11c: Este estándar indica que información se requiere parta
conectar dos redes entre si. Concretamente, se trata de una versión
adaptada de 802.1d (interconexión MAC a través de puentes) que
facilita aspectos como la calidad de servicio y el filtrado d tramas.
Únicamente afecta a los fabricantes de puntos de acceso: para el
usuario este estándar es transparente.
802.11d: 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. Permitirá a los puntos de acceso
comunicar información sobre los canales de radio admisibles con niveles
de potencia aceptables para los dispositivos de los usuarios.
802.11e: Con el estándar 802.11e, la tecnología IEEE 802.11 soporta
tráfico en tiempo real en todo tipo de entornos y situaciones. Las
aplicaciones en tiempo real son ahora una realidad por las garantías de
Calidad de Servicio (QoS) proporcionado por el 802.11e. El objetivo del
nuevo estándar 802.11e es introducir nuevos mecanismos a nivel de
capa MAC para soportar los servicios que requieren garantías de
Calidad de Servicio. Para cumplir con su objetivo IEEE
152
WIRELESS LAN
802.11e introduce un nuevo elemento llamado Hybrid Coordination
Function (HCF) con dos tipos de acceso:
(EDCA) Enhanced Distributed Channel Access y
(HCCA) Controlled Channel Access.
802.11f: Especifica un protocolo para el punto de acceso que
proporciona la información necesaria para efectuar el roaming entre
puntos de acceso de diferentes vendedores.
802.11g: Este utiliza la banda de 2.4 Ghz (al igual que el estándar
802.11b) pero opera a una velocidad teórica máxima de 54 Mbit/s, o
cerca de 24.7 Mbit/s de velocidad real de transferencia, similar a la del
estándar 802.11a. Es compatible con el estándar b y utiliza las mismas
frecuencias. Buena parte del proceso de diseño del estándar lo tomó el
hacer compatibles los dos estándares. Sin embargo, en redes bajo el
estándar g la presencia de nodos bajo el estándar b reduce
significativamente la velocidad de transmisión. Los equipos que trabajan
bajo el estándar 802.11g llegaron al mercado muy rápidamente, incluso
antes de su ratificación. Esto se debió en parte a que para construir
equipos bajo este nuevo estándar se podían adaptar los ya diseñados
para el estándar b.
Actualmente se venden equipos con esta especificación, con potencias
de hasta medio vatio, que permite hacer comunicaciones de hasta 50
Km. con antenas parabólicas apropiadas.
802.11h y 802.11j: 802.11 debe interactuar con otras redes inalámbricas
que funcionan en Europa (802.11h) y Japón (802.11j).
153
WIRELESS LAN
802.11i: Uno de los puntos críticos de las redes WLAN es la seguridad.
Al ser comunicaciones vía radio, cualquiera con los dispositivos
adecuados puede acceder a al información. Los mecanismos de
seguridad definidos en el estándar original (WEP) no son suficientes y,
por esta razón, se ha ampliado para garantizar la autentificación de
usuarios y el cifrado de la información.
802.11R: Se trata de una variante de 802.11 en la banda infrarroja.
Aunque se desarrollo al mismo tiempo que el estándar 802.11 original
nunca se lanzo al mercado ningún producto que lo cumpliera. Este tipo
de redes (LAN ópticas) suele ser propietario y aporta escaso valor
respecto al de las redes WLAN.
802.11k: Es un intento de unificar el modo en los estándares a, b y g,
miden las condiciones del entorno radioeléctrico y de la red y las envían
a otras partes de la pila d protocolos. Resulta útil en aplicaciones de
gestión d red, detección de fallos y otras operaciones de mantenimiento.
802.11m: Consiste en un conjunto de normas de mantenimiento
relacionadas con 802.11 como un todo.
802.11n: La IEEE anunció la formación de un grupo de trabajo 802.11
(Tgn) para desarrollar una nueva revisión del estándar 802.11. la
velocidad real de transmisión podría llegar a los 500 Mbps (lo que
significa que las velocidades teóricas de transmisión serían aún
mayores), y debería ser hasta 10 veces más rápida que una red bajo los
estándares 802.11a y 802.11g, y cerca de 40 veces más rápida que una
red bajo el estándar 802.11b. También se espera que el alcance de
operación de las redes sea mayor con este nuevo estándar. Existen
también otras propuestas alternativas que podrán ser consideradas y se
espera que el estándar que debía ser completado hacia finales de 2006,
Tra
dicionales
A
ctuales
F
uturas
E
mergentes
10 kbps 100kbps 1Mbps 10 Mbps 100 Mbps 1
Gbps
154
WIRELESS LAN
se implante hacia 2008, puesto que no es hasta principios de 2007 que
no se acabe el segundo boceto. No obstante ya hay dispositivos que se
han adelantado al protocolo y ofrecen de forma no oficial éste estándar
(con la promesa de actualizaciones para cumplir el estándar cuando el
definitivo esté implantado)
Figura 5.7 Estándares de la familia 802.11
802.11X: Es un mecanismo de autenticación a nivel de puerto. La
especificación describe la interpretación entre las tres entidades que
forman cualquier sistema de autentificación: la parte que se debe
autenticar (suplicant), la que prueba o deniega el acceso
(authentificator) y un servidor de autentificación ubicado en un equipo
separado o junto con el authentificator. Además, 802.1x distingue entre
puertos controlados (los que utiliza un usuario autenticado) y puertos
descontrolados (aquellos que utiliza un usuario hasta que logra
autentificarse). El algoritmo de autentificación se deja totalmente abierto.
155
WIRELESS LAN
NOMBRE DESCRIPCIÓN
802.11a 5 GHz OFDM PHY
802.11b 2,4GHz CCK PHY
802.11c Bridging 802.11
802.11d Itinerancia internacional
802.11e QoS
802.11 Interacción entre puntos de acceso
802.11 2,4GHz OFDM PHY
80211 Anexos regulatorias a 5Ghz
802.11 Seguridad
802.11 Especificaciones japonesas a 5 GHz
802.11 Medida de recursos radio
802.11 Mantenimiento
802.11 PHY de gran capacidad
Tabla 5.2 Estándares de la familia 802.11
5.8 APLICACIONES
Además de las redes corporativas inalámbricas, la tecnología WLAN resulta
muy adecuada en hotspots, lugares públicos de acceso a Internet basados en
WiFi. Por otra parte, otra de las nuevas tendencias tecnológicas es la integración
de voz y datos en una única infraestructura. Este tipo de aplicaciones también esta
gozando de gran éxito y todo parece indicar que la voz sobre WiFi nace de la
conjunción de ambas.
Hotspot
156
WIRELESS LAN
Además de las redes WLAN corporativas, las tecnologías 802.11 pueden
aplicarse en la red de acceso, dando lugar a los denominados hotspot o islas
digitales.
Un hotspot o isla digital es un área en la que existe conectividad inalámbrica
basada en puntos de acceso WiFi y en la que se concentran cierto número de
usuarios inalámbricos (aeropuerto, hoteles, etc.) y se proporciona un servicio de
acceso que, generalmente, es la conexión a Internet auque existen otros como el
acceso VPN a la red corporativa.
La figura 5.8 muestra una red de islas digitales en la que sus usuarios
pueden conectarse todos con todos y con el exterior.
La red de interconexión se encarga de conectar entre si las diferentes islas
digitales extendiendo así la cobertura de la red WiFi y, además, de la conexión a
Internet.
Figura 5.8 Mar de islas digitales.
Las tecnologías empleadas son muy variadas, en función de las alternativas
disponibles y de la topología de la red (obstáculos, dispersión de las islas digitales,
etc.).
157
Comunicación vía satélite.
WIRELESS LAN
Si las islas digitales están muy dispersas entre si (algo que durante las
primeras etapas del despliegue de la red será bastante común) o en zonas rurales
o de orografía difícil en las que exista otra alternativa, una de los opciones más
recomendables es la interconexión de islas a través de una red VSAT de satélite.
También en estos casos, y siempre que haya visión directa entre la
cabecera de la red y las islas digitales, se puede emplear LMDS. La introducción
en el mercado de los operadores LMDS se esta viendo rodeada por una serie de
dificultades, entre las que cabe resaltar aquellas inherentes al despliegue de redes
que emplean tecnologías inalámbricas.
Figura 5.9 Interconexión de islas digitales a través de una red VSAT.
A continuación se muestra la interconexión de islas a través de LMDS.
ISLA DIGITA
L
ISLA DIGITAL
158
WIRELESS LAN
Figura 5.10 Interconexión de islas digitales con LMDS
En núcleos urbanos más concretados es mucho más habitual encontrar
operadores de cable a través de cuya red podamos establecer la conectividad
entre las islas digitales. En principio, esta situación será bastante habitual cuando
los puntos de acceso de las islas digitales estén conectados a Internet a través del
mismo operador. Los operadores de cable han centrado sus esfuerzos sobre todo
en el despliegue de su red y la mayor parte de sus inversiones esta dedicada a su
ampliación parar llegar a un mayor número de clientes. Los principios operadores
de cable no operan en competencia entre ellos debido a que ocupan
demarcaciones diferentes.
Figura 5.11 Interconexión de islas digitales a través de una red de cable
Finalmente, encontramos las tecnologías de bucle de abonado digital
(xDSL) sobre la línea telefónica convencional. Dentro de la amplia gama de
variantes xDLS, debemos elegir que garantice un ancho de banda suficientemente
ISLA DIGITA
LISLA
DIGITAL
159
WIRELESS LAN
grande por lo la recomendación es VDSL o G. Lite. Sin embargo, si los puntos de
acceso son residenciales, la conexión a Internet suele ser ADSL.
En un futuro, quizá sea posible utilizar la transmisión de datos por la red
eléctrica o PLC. Estos sistemas constituyen una oportunidad de negocio para las
compañías eléctricas. Aunque algunas empresas ya han llevado a cabo pruebas
piloto con esta tecnología, sin embargo, para un despliegue comercial se requiere
aun el establecimiento de los limites de las radiaciones emitidas fruto de la
transmisión de señales a altas frecuencias sobre infraestructuras que no han sido
diseñadas parta ello.
Figura 5.12 Interconexión de islas digitales a través de XDSL.
160
WIRELESS LAN
5.9 VOZ SOBRE WIFI
En una red WiFi se refiere a una de las tecnologías de comunicación
inalámbrica más utilizada hoy en día. WIFI es una abreviatura de Wireless Fidelity,
también llamada WLAN (wireless lan, red inalámbrica) o estándar IEEE 802.11.
En la actualidad podemos encontrarnos con dos tipos de comunicación
WIFI:
802.11b, que emite a 11 Mb/seg.
802.11g, más rápida, a 54 MB/seg.
Su velocidad y alcance (unos 100-150 metros en hardware asequible) lo
convierten en una fórmula perfecta para el acceso a Internet sin cables. Una
persona con un dispositivo permitido Wi-Fi tal como una computadora, un teléfono
de la célula o un PDA puede conectar con el Internet cuando en proximidad de un
punto de acceso. La región cubierta por un o vario puntos de acceso se llama un
hotspot. Hotspots puede extenderse de un solo cuarto a muchas millas cuadradas
de hotspots traslapados. El WiFi se puede también utilizar para crear una red del
acoplamiento.
Figura 5.13 Comunicación WiFi
161
WIRELESS LAN
El WiFi también permite conectividad en el modo del par-a-par, que permite
a los dispositivos conectar directamente con uno a. Este modo de la conectividad
es útil en usos de la electrónica y del juego de consumidor. El WiFi utiliza la sola
tecnología de la radio del espectro de la extensión de la dirigir-secuencia del
portador (parte de la familia más grande de los sistemas separados del espectro) y
la tecnología de radio del multiportador OFDM (división de frecuencia Ortogonal
que multiplexa).
5.9.1 Cómo Trabaja WiFi
Una disposición típica Wi-Fi contiene a unos o más puntos de acceso (APs)
y a unos o más clientes. Un AP difunde su SSID (nombre determinado del
identificador, “de la red” del servicio) vía los paquetes que se llaman los faros, que
son generalmente difusión cada ms 100. Los faros se transmiten en 1 Mbit/s, y
están de duración relativamente corta y por lo tanto no tienen un efecto
significativo en funcionamiento. Puesto que 1 Mbit/s es el índice más bajo del Wi-
Fi que asegura que el cliente que recibe el faro puede comunicar por lo menos 1
Mbit/s. basado en los ajustes (e.g. el SSID), el cliente puede decidir si conectar
con un AP. Si dos APs del mismo SSID están en la gama del cliente, los soportes
lógico inalterable del cliente pudieron utilizar fuerza de la señal para decidir a cuál
de los dos APs para hacer una conexión. Los criterios de la conexión de las hojas
del estándar Wi-Fi y vagar totalmente abierto al cliente. Éste es una fuerza del Wi-
Fi, pero también los medios que un adaptador sin hilos puede realizar
substancialmente mejor que el otro. Puesto que el Wi-Fi transmite en el aire, tiene
las mismas características que una red de Ethernet non-switched. Incluso las
colisiones pueden por lo tanto aparecer como en los LAN non-switched de
Ethernet.
162
WIRELESS LAN
5.9.2 Canales WiFi
A excepción de 802.11a, que funciona en 5 gigahertz, aplicaciones Wi-Fi el
espectro cerca de 2.4 gigahertz, que se estandardiza y unlicensed por el acuerdo
internacional, aunque las asignaciones exactas de la frecuencia varían levemente
en diversas partes del mundo, al igual que energía permitida máximo. Sin
embargo, los números de canal son estandardizados por la frecuencia a través del
mundo, las frecuencias tan autorizadas se pueden identificar por números de
canal.
Las frecuencias para el estándar 802.11 b/g 2.400 gigahertz a 2.487
gigahertz. Cada canal tiene 22 megaciclos de ancho con todo hay un paso de 5
megaciclos al canal más alto siguiente.
El número máximo de los canales disponibles para los dispositivos
permitidos wi-fi es 13 para Europa, 11 para Norteamérica y 14 para Japón. En
Norteamérica, solamente los canales 1, 6, y 11 se despliegan para 802.11b/g.
Figura 5.14 Voz sobre WiFi
163
WIRELESS LAN
Ventajas de WiFi Permite que LANs sea desplegado sin cablegrafiar, reduciendo
típicamente los costes de despliegue y de extensión de la red. Los
espacios donde los cables no se pueden funcionar, por ejemplo áreas al
aire libre y edificios históricos, pueden recibir LANs sin hilos.
La tasación del silicio WiFi continúa viniendo abajo, haciendo WiFi una
opción muy económica del establecimiento de una red y conduciendo la
inclusión del WiFi en un arsenal cada vez más extenso de dispositivos.
Los productos WiFi están extensamente disponibles en el mercado.
Diversas marcas de fábrica de los puntos de acceso y de los interfaces
de la red del cliente son interoperable en un nivel básico del servicio.
Los productos señalados como Wi-Fi CERTIFICADO por la alianza Wi-
Fi son ínter operable e incluyen la seguridad WPA2.
Las redes WiFi apoyan vagar, en el cual una estación móvil del cliente
tal como una computadora de computadora portátil puede moverse a
partir de un punto de acceso a otro mientras que el usuario se mueve
alrededor de un edificio o de un área.
El WiFi es un sistema global de estándares. Desemejante de los
portadores celulares, el mismo cliente Wi-Fi trabaja en diversos países
alrededor del mundo.
Extensamente disponible en más de 250.000 puntos calientes y millones
públicos de hogares y de campus corporativos y de la universidad por
todo el mundo.
Los nuevos protocolos para la calidad de los mecanismos del ahorro del
servicio (WMM) y de energía (economía de energía de WMM) hacen el
Wi-Fi aún más conveniente para los usos estado-sensibles (tales como
voz y vídeo) y los dispositivos pequeños del forma-factor.
164
WIRELESS LAN
Desventajas WiFi El WiFi se puede interrumpir por otros dispositivos, teléfonos de
notablemente 2.4 gigahertz y hornos de microonda sin cuerda.
El consumo de energía es bastante alto comparado a algunos otros
estándares, haciendo vida de la batería y calienta una preocupación.
El estándar sin hilos más común del cifrado, la aislamiento equivalente
atada con alambre o el WEP, se ha demostrado para ser frágiles aun
cuando configurados correctamente.
Los puntos de acceso Wi-Fi omiten típicamente un modo (cifrado-libre)
abierto. Los usuarios del principiante benefician de un dispositivo cero
de la configuración que se resuelva de la caja pero no pudieron
preponerse proporcionar el acceso sin hilos abierto a su LAN. WPA WiFi
protegió el acceso que comenzó a enviar en 2003 punterías para
solucionar estos problemas y está generalmente disponible ahora, pero
las tarifas de la adopción siguen siendo bajas.
Los puntos de acceso 802.11b y 802.11g de mucho 2.4 gigahertz omiten
el mismo canal, contribuyendo a la congestión en ciertos canales.
Las redes WiFi han limitado la gama. Una rebajadora casera típica WiFi
usando 802.11b o 802.11g con una antena común pudo tener un radio
de acción de 45 m (150 pies) dentro y 90 m (300 pies) al aire libre. La
gama también varía con la banda de frecuencia, pues el Wi-Fi no es
ninguna excepción a la física de la propagación de la onda de radio. El
Wi-Fi en el bloque de la frecuencia de 2.4 gigahertz tiene una gama
mejor que el Wi-Fi en el bloque de la frecuencia de 5 gigahertz, y menos
gama que el más viejo WiFi (y el pre-WiFi) bloque de 900 megaciclos.
La gama al aire libre con las antenas mejoradas puede ser varios
kilómetros o más con línea de mira.
La contaminación WiFi, significando interferencia de un punto de acceso
cerrado o cifrado con otros puntos de acceso abiertos en el área,
especialmente en el mismo o el canal vecino, puede prevenir el acceso
e interferir con el uso de otros puntos de acceso abiertos por otros
165
WIRELESS LAN
causados traslapando los canales en el espectro 802.11g/b así como
con el cociente signal-to-noise disminuido (SNR) entre los puntos de
acceso. Esto es un problema extenso en áreas de alta densidad tales
como complejos grandes del apartamento o edificios de oficinas con
muchos puntos de acceso Wi-Fi.
Es también una edición cuando los municipios u otras entidades
grandes tales como universidades intentan proporcionar cobertura
grande del área. Cada uno se considera igual cuando utilizan la venda
(a excepción de los operadores de radio aficionados que son el
concesionario primario); esto causa a menudo la contención cuando las
búsquedas de un usuario para demandar prioridad en esto unlicensed la
venda. Las redes Wi-Fi se pueden supervisar y utilizar para leer y para
copiar los datos (información personal incluyendo) transmitidos sobre la
red cuando no se utiliza ningún cifrado tal como VPN.
Conclusión
Una de las tecnologías más prometedoras y discutidas en esta década es la
de poder comunicar ordenadores mediante tecnología inalámbrica, para todos,
empresas y particulares, están bastante claras las bondades de la tecnología
inalámbrica, el despegue de ésta dependerá del precio de los dispositivos y de
que los fabricantes incorporen funcionalidades wireless
La tendencia a la movilidad y la ubicuidad hacen cada vez más utilizados
los sistemas inalámbricos, y el objetivo es ir evitando los cables en todo tipo de
comunicación, no solo en el campo informático sino en televisión, telefonía,
Seguridad, etc. Un fenómeno social que ha adquirido gran importancia en todo el
mundo como consecuencia del uso de la tecnología inalámbrica son las
comunidades wireless que buscan la difusión de redes alternativas a las
comerciales.
166
CAPITULO 6
6 WPAN (WIRELESS PAN)
Objetivo:
Dar a conocer las redes WPAN, así como su topología y arquitectura.
También se describirán los diferentes protocolos, que se utilizan en esta
tecnología, además de que se presentaran algunas de las diferentes tecnologías
que utilizan este tipo de red.
167
WIRELESS PAN
INTRODUCCIÓN A LAS REDES WIRELESS PAN
El termino WPAN (Gíreles PAN) engloba a las redes cuyo rango de acción
se limita a unos pocos metros y en las que el soporte físico de la información lo
constituyen las ondas de radio. Por sus radio de acción, estas tecnologías no
resultan adecuadas para su aplicación en redes de área local (salvo en casos
muy concretos) y se suele utilizara, en entornos más reducidos y acotados.
Cada vez más, la tecnología va penetrando en nuestra vida diaria, una
muestra de ello es la explosión sufrida en los últimos años por Internet y la
telefonía móvil.
Figura 6.1 Evolución del número abonados por regiones.
1998 2000 2005
Numero de abonados (millones)
800
700
600
500
400
300
200
100
0
168
WIRELESS PAN
Las WPAN no van a permanecer ajenas a esta revolución. Una vez que ha
quedado patente que la capacidad de los usuarios para absorber nuevas
aplicaciones aumenta cada año, se están abriendo nuevos segmentos del
mercado que, hasta hace poco, tenían escasa penetración tecnológica pues las
opciones que existían estaban muy limitadas. Esta apertura de nuevos frentes ha
sido notable, sobre todo, en entornos de corta distancia y bajas velocidades de
transmisión.
Figura 6.2 Nuevos mercados de las WPAN
Cada una de estas aplicaciones presenta unas necesidades diferentes del
sistema de comunicación. Con el fin de soportar esta tipo de comunicaciones se
ha desarrollado un amplio abanico de tecnologías, entre las que destacaremos los
estándares IEEE 802.15 (Bluetooth, WiMedia y Zigbee), Homero, IrDA, y RFID.
Aplicaciones de banda estrecha
Periféricos del PC
Medicina
Entretenimiento Domótica
Electrónica de consumo
169
WIRELESS PAN
6.1 BLUETOOTH
Es una tecnología desarrollada por Ericsson en 1994, que hace factible la
conectividad inalámbrica entre dispositivos a corta distancia, éstos pueden llegar a
formar redes con diversos equipos de comunicación: computadoras móviles,
radiolocalizadores, teléfonos celulares, PDAs, e, inclusive, electrodomésticos.
El estándar Bluetooth se compone de dos capítulos, uno de ellos describe
las especificaciones técnicas principales, mientras que el otro define perfiles
específicos para aplicaciones, estos últimos aseguran la interoperabilidad de
dispositivos Bluetooth entre fabricantes. Algunos de estos perfiles son el de
acceso genérico, identificación de servicio, puerto serial, acceso a LAN
sincronización y el de dispositivo de información móvil (MIDP).
La IEEE ha desarrollado un protocolo equivalente denominado Wireless
Personal Area Network (WPAN), 802.15, con el objetivo de lograr la
interoperabilidad con otros dispositivos inalámbricos.
El Bluetooth Special Interest Group (SIG), una asociación comercial
formada por líderes en telecomunicación, informática e industrias de red, está
conduciendo el desarrollo de la tecnología inalámbrica Bluetooth y llevándola al
mercado.
La tecnología inalámbrica Bluetooth es una tecnología de ondas de radio de
corto alcance (2.4 gigahertz de frecuencia) cuyo objetivo es el simplificar las
comunicaciones entre dispositivos informáticos, como ordenadores móviles,
teléfonos móviles, otros dispositivos de mano y entre estos dispositivos e Internet.
También pretende simplificar la sincronización de datos entre los dispositivos y
otros ordenadores. Permite comunicaciones, incluso a través de obstáculos, a
distancias de hasta unos 10 metros. Los promotores de Bluetooth incluyen Agere,
170
WIRELESS PAN
Ericsson, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia y Toshiba, y centenares de
compañías asociadas.
Es un estándar que utiliza FHSS, capaz de transmitir a velocidades de 1
Mbps y es apoyado por más de 2000 empresas de tecnología. Bluetooth ha
surgido últimamente como un posible substituto a todo tipo de cable anexado a
una computadora, debido a su costo y el apoyo de cientos de empresas. A su
velocidad (1 Mbps) será capaz de sustituir las conexiones clásicas de cables
paralelos y seriales, ya que es 3 y 6 veces más rápido (respectivamente) que
estas conexiones en amplio uso en cualquier computadora.
Esto trae una cantidad interminable de posibilidades desde impresoras,
monitores, conexiones de portátiles (Laptops), teclados, mouses y otros
dispositivos. Esta tecnología es capaz de transmitir información efectivamente
hasta una distancia de 10 metros entre aparatos que utilicen transmisores
"Bluetooth", debido que se emplea FHSS el "Hopping Pattern" de Bluetooth es de
1600 veces por segundo, lo cual asegura que la transmisión de datos sea
altamente segura. En cuanto a su implementación Bluetooth utiliza el término
piconet.
Un piconet es un grupo de 2 u 8 aparatos que utilizan "Bluetooth", estos
aparatos que forman parte del piconet comparten el mismo rango que es utilizado
por un "Hopping Sequence", a su vez cada piconet contiene un aparato principal
("master") que es el encargado de coordinar el "Hopping Pattern" del piconet para
que los demás aparatos ("slaves") sean capaces de recibir información.
171
WIRELESS PAN
Figura 6.3 Dispositivos con tecnología Bluetooth
6.1.1 Topología de Red
Bluetooth soporta tantas comunicaciones punto a punto como punto a
multipunto. Los dispositivos Bluetooth se agrupan en lo que se conoce como
piconet constituidas por equipos que se conectan sobre la marcha. Cada piconet
se caracteriza por una secuencia de salto en frecuencia diferente y tienen una
capacidad de hasta 8 dispositivos, todos ellos sincronizados tanto en tiempo como
en frecuencia.
Bluetooth se ha diseñado para operar en un ambiente multiusuario. Los
dispositivos pueden habilitarse para comunicarse entre sí e intercambiar datos de
una forma transparente al usuario. Hasta ocho usuarios o dispositivos pueden
formar una "piconet" y hasta diez "piconets" pueden coexistir en la misma área de
cobertura. Dado que cada enlace es codificado y protegido contra interferencia y
pérdida de enlace. La estructura que maneja esta tecnología está compuesta, en
172
WIRELESS PAN
su forma más básica, por lo que se denomina una Piconet y en una estructura un
poco más compleja a la que se denomina una Scatternet.
La Piconet son varios dispositivos que se encuentran en el misma radio de
cobertura en donde comparten un mismo canal y que está constituida entre dos y
ocho de estas unidades. Cada dispositivo tiene una dirección única de 48 bits,
basada en el estándar IEEE 802.11 para WLAN, mientras que la Scatternet esta
formada por la conexión de una Piconet a otra, con un máximo de interconexiones
de diez Piconets. En la siguiente figura se puede observar y entender con mayor
facilidad estas dos configuraciones.
Figura 6.4 Esquema de una piconet sencilla.
En la Figura 6.4 a) se puede observar la Piconet más sencilla la cual está
constituida por dos dispositivos, mientras que en la figura “6.4 b)” tenemos una
Piconet constituida por cuatro de estos dispositivos. En la figura “6.4 c)” está
ejemplificada una Scatternet que posee tres Piconet, una constituida por cuatro
unidades, otra por dos y la última por 3 unidades respectivamente.
Los equipos que comparten un mismo canal se dividirán los recursos y la
capacidad de éste. Aunque los canales tienen un ancho de banda de un 1Mhz,
cuantos más usuarios se incorporen a la Piconet, menor serán los recursos
173
WIRELESS PAN
adjudicados a cada usuario, es decir, disminuirá la capacidad del ancho de banda
de cada dispositivo hasta unos 10 Kbit/s o un poco menos.
Figura 6.5 Esquema de una scatternet
Esta función que es la de la Scatternet fue introducida para solucionar el
problema del bajo ancho de banda que le queda a cada usuario de una Piconet si
en esta se encuentran gran cantidad de unidades conectadas. El rendimiento, en
conjunto e individualmente de los usuarios de una Scatternet es mayor que el que
tiene cada usuario cuando participa en un mismo canal de 1 MHz.
Además, estadísticamente se obtienen ganancias por múltiplexación y
rechazo de salto de canales. Debido a que individualmente cada Piconet tiene un
salto de frecuencia diferente, diferentes Piconets pueden usar simultáneamente
diferentes saltos de canales. Cualquier unidad puede hacerse maestro, pero por
definición, la unidad que establece el enlace, o la Piconet, con otras unidades
asume este papel, mientras que todas las demás unidades serán los esclavos. Las
unidades pueden intercambiar los papeles, si una unidad esclava quiere tomar el
papel del dominio puede hacerlo pero no obstante debe existir solo un maestro y
el resto son esclavos. En el Caso de la Scatternets, una unidad maestra en una
Piconet puede ser una unidad esclava en otra Piconet. En la Figura “6.5” se puede
174
WIRELESS PAN
observar con facilidad esta propiedad, mientras que en la Figura 6.4 c) podemos
ver una configuración simple de dos Piconets en donde el elemento de
interconexión es un esclavo para ambas Piconets. Mientras más Piconets se
añaden a la Scatternet el rendimiento del sistema disminuye poco a poco,
habiendo una reducción por termino medio del 10%. Sin embargo el rendimiento
que finalmente se obtiene de múltiples Piconets supera al de una simple Piconet.
6.1.2 Pila de Protocolos
La pila de protocolos Bluetooth esta formada por una serie de niveles
funcionales cuya representación simplificada, se muestra a continuación.
Diferentes aplicaciones pueden operar bajo distintos conjuntos de
protocolos; sin embargo, todos ellos tienen un enlace de datos y una capa física
Bluetooth común.
La siguiente figura es una pila Bluetooth
Figura 6.6 Pila de protocolos Bluetooth
Cada aplicación puede operar bajo una estructura de protocolos definida
por cada columna en la figura, o por un conjunto de ellas. Algunas columnas son
175
WIRELESS PAN
usadas solo como soporte de la aplicación principal, como lo son el SDP (Service
Discovery Protocol) y el TCS Binary (Telephony Control Specification).
La especificación es abierta, lo que permite el desarrollo de nuevos
protocolos de aplicación en las capas superiores, lo cual se traduce en el
desarrollo de una gran variedades de servicios por parte de las casas fabricantes.
Ahora bien, de acuerdo al propósito, los protocolos pueden ser divididos en
cuatro capas:
Protocolos Bluetooth Centrales (Bluetooth Core Protocols: BaseBand,
LMP, L2CAP, SDP).
Protocolos de Reemplazo de Cable (Cable Replacement Protocols:
RFCOMM).
Protocolos de control de Telefonía (Telephony Control Protocols: TCS
Binary, AT-Commands).
Protocolos Adaptados (Adapted Protocols: PPP, UDP/TCP/IP, OBEX,
WAP, vCard, vCal, IrMC, WAE).
El Grupo Bluetooth SIG, ha desarrollado los protocolos de la primera capa,
los cuales son usados por la mayoría de los dispositivos Bluetooth. Por otra parte,
el RFCOMM y el TCS Binary fueron desarrollados por el SIG, basándose es las
especificaciones ETSI-TS 07.10 y la ITU-T Q.931, respectivamente. Las capas de
Reemplazo de Cable, Control de Telefonía, y de Protocolos adaptados conforman
los llamados protocolos orientados a la aplicación. Dichos protocolos son abiertos,
y permiten la inclusión de nuevos, por ejemplo HTTP o FTP, lo que hace al
estándar muy flexible.
El protocolo Bluetooth, utiliza una combinación de conmutaciones de
circuito y paquetes. Para asegurar que los paquetes no sean recibidos fuera de
orden, ranuras de tiempo (hasta 5) pueden ser reservadas para los mismos.
176
WIRELESS PAN
Como se dijo con anterioridad, los saltos de frecuencia son aplicados para
evitar interferencia y desvanecimiento. Un salto de señal diferente es usado para
cada paquete. La conmutación de circuitos puede ser síncrona o asíncrona. Hasta
3 canales de datos síncronos, ó 1 síncrono y 1 asíncrono pueden ser soportados.
Cada canal síncrono soporta una velocidad de 64 Kb/s, lo cual es utilizado para
transmisiones de voz. Un canal asíncrono puede transmitir 721 Kb/s en una
dirección y 57,6 Kb/s en la dirección opuesta. Es posible también en una conexión
asíncrona soportar velocidades de 432,6 Kb/s en ambas direcciones si el enlace
es simétrico.
Las especificaciones del estándar Blutooth se recogen en la tabla siguiente:
Tecnología Espectro ensanchado por salto en frecuencia (FHSS).
Banda de frecuencia 2,4 GHz (Banda ISM)
Modulación GFSK.
Potencia del transmisor 1 mW para un alcance de 10 m100mW para un alcance de hasta 100 m
Canales máximos De voz: 3 piconetDe datos: 7 por piconet
Velocidad de datos Hasta 721 kbps por piconet
Distancia máxima 10 m.
Numero de dispositivos 8 por piconet y hasta 10 piconets
Consumo de potencia Desde 30 µA hasta 30 mA transmitiendo.
Tabla 6.1 Características principales del estándar.
6.1.3 Aplicaciones
177
WIRELESS PAN
Sobre la pila de protocolos Bluetooth, se define una serie de perfiles que se
tomarán como base para implementar aplicaciones. Las características de
Bluetooth, la hacen adecuada para las siguientes categorías de aplicaciones:
Conexión a otras redes como la red telefónica o una red LAN a través
de otro dispositivo que haga las veces de punto de acceso.
Conexión de periféricos a un PC y otras aplicaciones en las que se
sustituya el cable por un enlace inalámbrico (comunicación entre unos
auriculares inalámbricos y un teléfono móvil, por ejemplo.)
Accesibilidad mutua entre dispositivos inalámbricos para, por ejemplo,
trasferencias de ficheros y sincronización de información.
Una de las aplicaciones más inmediatas de Bluetooth es la transferencia de
ficheros entre dos dispositivos. Otra posibilidad es utilizar un punto de acceso
Bluetooth para conectarse a una red LAN, de manera similar a como ocurre con
cualquiera de los estándares 802.11. También es posible sincronizar dispositivos
entre si. Un ejemplo muy común es actualizar la libreta de direcciones de la PDA
con la información contenida en la agenda de teléfono móvil. Pero quizá una de
las aplicaciones más curiosas de esta tecnología será su utilización como
teléfono. Un teléfono Bluetooth puede soportar tres tipos de conexión telefónica:
en primer lugar, se comporta como un teléfono inalámbrico, con conexión a la
RTPC (de manera análoga a como lo haría un dispositivo Bluetooth; finalmente,
podría comunicarse con un Terminal GSM y comportarse como un teléfono
celular).
6.2 WIMEDIA/UWB
178
WIRELESS PAN
Algunas aplicaciones, como las comunicaciones multimedia o la transmisión
de imágenes digitales de alta resolución, requieren anchos de bandas y calidad de
servicios con mayor grado de garantía del que Bluetooth es capaz de ofrecer. En
estos casos, la solución es WiMedia, estandarizado por el IEEE como 802.15.3.
La versión actual de WiMedia actúa en la misma banda de frecuencias que
Bluetooh (2,4 GHz) y permite seleccionar cinco tasas binarias: 11 Mbps, 22 Mbps,
33 Mbps, 44 Mbps y 55 Mbps. La potencia transmitida es aproximadamente, de 8
dBm y el alcance de las comunicaciones esta comprendido entre 5 y 55 m,
además, proporciona características como el control de potencia, seguridad,
coexistencia con Bluetooth y WLAN y QoS, que la hacen ideal para el transporte
multimedia de alta calidad, la interconexión de dispositivos y las redes ad-hoc.
Para próximas versiones el nivel físico de WiMedia se sustituirá por
Ultrawideband, de mucha mayor capacidad. Ultrawideband es una red
inalámbrica de alta velocidad y bajo consumo de potencia recogida en el estándar
802.15.3 para redes WPAN. Sus principales características son gran ancho de
banda, topología dinámica, calidad de servicio, gestión de potencia y distancias
típicas que cubre son unos 10 m.
El estándar esta optimizado para dispositivos de bajo coste, reducido factor
de forma y bajo consumo. Actualmente opera en la banda de los 2,4 Ghz y soporta
una velocidad seleccionable entre 11, 22, 33, 44 y 55 Mbps.
A continuación se muestra la comparación de WiMedia con otras
tecnologías.
179
WIRELESS PAN
Datos UWB 802.11a HyperLAN HomeRF Bluetooth
Tasa Binaria50-100 Mbps
(500 Mbps teóricos)
54 Mbps 25 Mbps 11 Mbps 1 Mbps
Alcance 500 ft 90-100 ft 100 ft 250-300 ft 30 ft
Coste Bajo Alto Alto Medio Bajo
Consumo de potencia Bajo Alto Alto Medio Bajo
Espectro Ultrawideband 5 GHz 2,4 GHz 2,4 Ghz 2,4 Ghz
Tabla 6.2 Comparación con otras tecnologías.
6.2.1 Tecnología
UWB es una tecnología basada en la transmisión de pulsos muy cortos. La
consecuencia principal es que es la expansión del ancho de banda de la señal y la
disminución de la densidad espectral de potencia permiten la coexistencia con otro
tipo de tecnologías radio. Los principales beneficios de UWB en comparación con
otras tecnologías son su mayor robustez frente a la propagación multicamino,
menor potencia de transmisión, localización de dispositivos y flexibilidad en la
relación distancia y ancho de banda. Sin embargo, requieren de antenas de gran
ancho de banda y relojes muy precisos.
A continuación se muestra como responde la tecnología UWB
180
WIRELESS PAN
Figura 6.7 Transmisión UWB
6.2.2 Seguridad
Por otra parte, UWB soporta la seguridad según una estrategia escalable.
El primer modo, el más sencillo, supone no implementar ninguna seguridad en
absoluto. El siguiente nivel consistente en crear una lista de control de acceso
(ACL, Access Control List) de la piconet utilizando su dirección de MAC. Un nivel
superior utiliza autentificación criptográfica, protección de la información e
integridad de la misma. Finalmente, el grado de seguridad más alto se basa en la
utilización de certificado digital para la autentificación, garantizar la integridad de
los datos y comprobar el no repudio.
6.2.3 Topologías
181
WIRELESS PAN
UWB se ha concebido como una red ad-hoc. Durante la inicialización, uno
de los dispositivos de la piconet estar obligado a asumir el papel de controlador o
PNC que encarga de mantener la sincronización, del control d admisión y de
asignar los recursos de la piconet de acuerdo con las políticas de QoS
establecidas.
La calidad de servicio se consigue a través de una supertrama TDMA con
GTS (Guaranteedt Time Slots). GTS garantiza cierto tipo de canal para cada uno
de los dispositivos de la piconet.
Figura 6.8 Supertrama UWB
6.3 ZIGBEE (IEEE 802.15.4)
ZigBee es el estándar de la IEEE 802.15.4 para redes de área personal
inalámbricas (WPAN, siglas en inglés) patrocinado por la ZigBee Alliance. La
tecnología está diseñada con el objetivo de ser más simple y barata que otras
WPANs tales como Bluetooth, y está apuntando su uso al de aplicaciones de
bajas tasas de datos y bajo consumo eléctrico. Opera en las bandas libres de los
2.4 Ghz, 915 MHz y 868 MHz, usa DSSS como método de transmisión y se
localiza en las capas inferiores de red (Física y MAC). La transmisión se realiza a
20 kbit/s por canal y el rango de transmisión está entre los 10 y 75 metros.
Supertrama #m-1 Supertrama #m Supertrama #m+1
Beacon #m Periodo de contención
MTS 1 MTS 2 GTS n-1 GTS nGTS 1
Periodo libre de contención
182
WIRELESS PAN
Zigbee ha evolucionado a través de la historia como se muestra a
continuación:
Las redes del ZigBee-estilo comenzaron a ser concebidas cerca de
1998, cuando muchos ingenieros realizaron que WiFi y Bluetooth iban a
ser inadecuados para muchos usos. Particularmente, muchos ingenieros
vieron una necesidad de redes de radio digitales ad hoc de auto-
organización.
El estándar de IEEE 802.15.4 fue terminado en mayo de 2003.
En el verano de 2003, los semiconductores de Philips, un partidario
importante de la red del acoplamiento, cesaron su inversión. El
encenderse de Philips, sin embargo, ha continuado a miembro del
promotor de la participación de Philips, y del resto de Philips en la junta
directiva de la alianza de ZigBee.
La alianza de ZigBee anunciada en octubre de 2004 que su calidad de
miembro más que había sido doblada en el año precedente y había
venido a más de 100 compañías del miembro, en 22 países. Antes de
abril de de 2005 la calidad de miembro había venido a más de 150
compañías.
Las especificaciones de ZigBee fueron ratificadas el 14 de diciembre
2004.
La alianza de ZigBee anuncia la disponibilidad pública de la
especificación 1.0 el 13 de junio de 2005
ZigBee es el nombre de una especificación para una habitación de los
protocolos de comunicación de alto nivel usando las radios digitales pequeñas, de
baja potencia basadas en el estándar de IEEE 802.15.4 para las redes personales
sin hilos del área (WPAN). La relación entre IEEE 802.15.4-2003 y ZigBee es
similar a ésa entre IEEE 802.11 y la alianza WiFi.
183
WIRELESS PAN
ZigBee funciona en (ISM) las vendas de radio industriales, científicas y
médicas; 868 megaciclos en Europa, 915 megaciclos en los EE.UU. y 2.4
gigahertz en la mayoría de las jurisdicciones por todo el mundo. La tecnología se
piensa para ser más simple y más barata que el otro WPAN tal como Bluetooth.
Los protocolos de ZigBee se piensan para el uso en los usos encajados que
requieren tarifas de datos bajas y la consumición de baja potencia.
El foco actual de ZigBee es definir uno de uso general, barato, de auto-
organización, la red del acoplamiento que se puede utilizar para el control
industrial, detección encajada, colección de datos médica, advertencia del humo y
del intruso, automatización del edificio, la automatización casera, domotics, etc. La
red que resulta utilizará cantidades muy pequeñas de energía así que los
dispositivos individuales pudieron funcionar por un año o dos usando la batería
originalmente instalada.
6.3.1 Los tipos de dispositivo Zigbee
Hay tres diversos tipos de dispositivo de ZigBee:
Coordinador de ZigBee (ZC): El dispositivo más capaz, el coordinador
forma la raíz del árbol de la red y pudo tender un puente sobre a otras
redes. Hay exactamente un coordinador de ZigBee en cada red. Puede
almacenar la información sobre la red, incluyendo actuar como el
depósito para las llaves de la seguridad.
Rebajadora de ZigBee (ZR): Las rebajadoras pueden actuar como
rebajadora intermedia, pasando datos de otros dispositivos.
Dispositivo del extremo de ZigBee (ZED): Contiene funcionalidad
bastante para hablar con su nodo del padre (el coordinador o una
rebajadora); no puede retransmitir datos de otros dispositivos. Requiere
la menos cantidad de memoria, y por lo tanto puede ser menos costoso
fabricar que un ZR o un ZC.
184
WIRELESS PAN
En la siguiente figura muestra con es el enlace de Zigbee
Figura 6.9 Enlace Zigbee
6.3.2 Los protocolos Zigbee
La estructura de los protocolos en la investigación algorítmica reciente
(vector a pedido ad hoc de la distancia) para construir automáticamente una red
ad hoc de poca velocidad de nodos. En la mayoría de los casos de la red grande,
la red será un racimo de racimos. Puede también formar un acoplamiento o un
solo racimo. Los perfiles actuales derivaron del faro de la ayuda de los protocolos
de ZigBee y el no-faro permitió redes. En el no-faro permitido las redes (ésas en
que el orden del faro es 15), un slotted el mecanismo de acceso de canal de
CSMA/CA es utilizado.
En este tipo de rebajadoras de Zigbee de la red tener típicamente tus
receptores continuamente activos, requiriendo una fuente de alimentación más
robusta. Sin embargo, esto permite las redes heterogéneas en las cuales algunos
dispositivos reciben continuamente, mientras que otros transmiten solamente
cuando se detecta un estímulo externo. El ejemplo típico de un heterogeneous
network es un interruptor ligero sin hilos: el nodo de ZigBee en la lámpara puede
recibir constantemente, puesto que ha conectado con las cañerías la fuente,
mientras que un interruptor ligero con pilas seguiría siendo dormido hasta que se
185
WIRELESS PAN
lanza el interruptor. El interruptor después despierta, envía un comando a la
lámpara, recibe un reconocimiento, y vuelve al sueño. En tal red el nodo de la
lámpara será por lo menos una rebajadora de ZigBee, si no el coordinador de
ZigBee; el nodo del interruptor es típicamente un dispositivo del extremo de
ZigBee.
En el faro permitido las redes, los nodos de red especiales llamados las
rebajadoras de ZigBee transmiten los faros periódicos para confirmar su presencia
a otros nodos de red. Los nodos pueden dormir entre los faros, así bajando su
ciclo de deber y ampliando su vida de la batería.
Los intervalos del faro pueden extenderse a partir de 15.36 milisegundos al
ms 15.36 * 214 = 251.65824 segundos en 250 kbit/s, a partir 24 milisegundos a 24
ms * 214 = 393.216 segundos en 40 kbit/s y a partir de 48 milisegundos al ms 48 *
214 = 786.432 segundos en 20 kbit/s. Sin embargo, la operación de ciclo baja de
deber con intervalos largos del faro requiere la sincronización exacta que pueden
estar en conflicto con la necesidad del coste bajo del producto.
Los dispositivos de ZigBee se requieren para conformarse con el estándar
personal sin hilos Low-Rate de la red del área de IEEE 802.15.4-2003 (WPAN). El
estándar especifica su capa física de capas- más bajas del protocolo (PHY), y la
porción media del control de acceso (MAC) de la capa de transmisión de datos
(DLL). Este estándar especifica la operación en unlicensed vendas de 2.4
gigahertz, de 915 megaciclos y de 868 megaciclos ISM. En la venda de 2.4
gigahertz hay 16 canales de ZigBee, con cada canal requiriendo 5 megaciclos de
la anchura de banda. La frecuencia de centro para cada canal se puede calcular
como, FC = (2400 + 5*k) megaciclo, donde k = 1, 2,…, 16.
Al dirigir-secuencia del uso de las radios separó la codificación del espectro,
que es manejada por la corriente digital en el modulador. BPSK se utiliza en las
186
WIRELESS PAN
vendas de 868 y 915 megaciclos, y QPSK ortogonal que transmite dos pedacitos
por símbolo se utiliza en la venda de 2.4 gigahertz. El crudo, sobre - la tarifa de
datos de aire es 250 kbit/s por el canal en la venda de 2.4 gigahertz, 40 kbit/s por
el canal en la venda de 915 megaciclos, y 20 kbit/s en la venda de 868
megaciclos. La gama de transmisión está entre 10 y 75 metros (33~246 pies),
aunque es pesadamente dependiente en el ambiente particular. El máximo de
potencia de salida de las radios es generalmente 0 dBm (1 mW).
El modo de acceso básico de canal especificado por IEEE 802.15.4-2003
es “sentido del portador, acceso múltiple/evitación de la colisión” (CSMA/CA).
Es decir, los nodos hablan de la misma forma que conversa la gente;
comprueban brevemente para ver que nadie estén hablando antes de que él
comience. Hay tres excepciones notables al uso de CSMA. Los faros se envían en
un horario que mide el tiempo fijo, y no utilizan CSMA. Los reconocimientos del
mensaje también no utilizan CSMA. Finalmente, los dispositivos en faro orientaron
las redes que tienen estado latente bajo que los requisitos en tiempo real pueden
también utilizar las ranuras de tiempo garantizadas (GTS) cuáles por la definición
no utilizan CSMA.
ZigBee es muy similar al Bluetooth pero con algunas diferencias como a
continuación se muestra:
Menor consumo eléctrico que el ya de por sí bajo del Bluetooth
Velocidad de transferencia también menor.
Ambos son pensados para aplicaciones portátiles (PDAs, móviles, etc.)
aunque zigbee es más adecuado para la automatización del hogar,
Domótica
Existe una versión que integra el sistema de radiofrecuencias
característico de Bluetooth junto a interfaz de transmisión de datos vía
infrarroja desarrollado por IBM mediante un protocolo ADSI y MDSI
187
WIRELESS PAN
6.3.3 Topología de la red
Zigbee diferencia entre dispositivos completamente funcionales (FFD, Full
Funtion Device) y dispositivos parcialmente funcionales (RFD, Reduced Funtion
Device).
Las características de uno y otro se recogen en la siguiente tabla.
FFD Funcionamiento en cualquier topología.
FFD Puede ser el coordinador de la red.
FFD Capacidad para comunicarse con cualquier otro dispositivo.
RFD Únicamente en topologías en estrella.
RFD No puede ser el coordinador de la red.
RFD Solo se puede comunicar con el coordinador de la red.
RFD Implementación sencilla.
Tabla 6.3 Características de los dispositivos Zigbee.
En una red Zigbee, al menos debe existir un dispositivo que FFD que
hagas las veces de coordinador de red y, el resto, suelen ser RFD, mucho más
sencillo, ya que, de este modo, se reduce el coste del sistema.
6.4 HOMERF
HomeRF es una especificación para redes inalámbricas que proporciona
interconexión entre productos electrónicos de consumo dentro del hogar (con un
188
WIRELESS PAN
alcance de unos 50 m) y que opera en la banda de los 2,4 Ghz. Soporta
comunicaciones d voz y datos mediante el empleo de protocolo SWAP (Shared
Gíreles Access Protocol).
Actualmente, se esta definiendo la próxima especificación SWAP que
espera que permita incrementar la velocidad de transmisión de SWAP a los 10
Mbps e incluso más.
A continuación en la siguiente tabla se muestra una comparativa de algunas
de las tecnologías inalámbricas más utilizadas y HomeRF.
Tipo Bluetooth IEEE 80211.b HomeRF
AplicacionesSustitución de cables para comunicaciones
de dispositivos personales
Wireless Home/Office LAN Wireless Home LAN
Frecuencia 2,4 GHz ISM 2,4 GHz ISM 2,4 GHz ISMVelocidad 1 Mbps 11 Mbps 1-2 MbpsAlcance 10-100 m 100-300 m 100 m
Capacidad 8 dispositivos por piconet
128 dispositivos por red
128 dispositivos por red
Canales de voz 8 dispositivos por piconet Ninguno (opcional) 6 canales
Disponibilidad Ahora (con limitaciones) Ahora Ahora (con
limitaciones)
Tabla 6.4 Comparativa entre tecnologías inalámbricas.
6.4.1 Tecnología
Una red Homero puede configurarse en modo ad hoc o en modo con punto
de control. En el primer caso, solamente se soporta la comunicación de datos
189
WIRELESS PAN
entre dispositivos que se conectan punto a punto para, por ejemplo, compartir
ficheros de una manera sencilla.
En esta configuración, todos los nodos de la red se comportan por igual y
el control de esta está distribuido entre todos ellos. Sin embargo, en aplicaciones
con mayor nivel de interactividad, es necesario un punto de control que se
encargue de la coordinación del conjunto.
Además, el punto de control proporciona funcionalidades como el control de
potencia. En una configuración con punto de control, el PC del usuario desempeña
un papel fundamental ya que este estará conectado, por una parte, a Internet, con
lo que constituye así la pasarela de conexión entre cualquier dispositivo de la red y
el exterior y, por otra parte, la punto de control (generalmente a través de una
conexión USB). En cuanto al resto de dispositivos de la red, podemos distinguir
dos tipos de clientes:
Isócronos: son los que requieren un ancho de banda garantizado para
poder establecer una comunicación. Por esta razón, siempre se dirigen
al punto de control cuando desean comunicarse con otro dispositivo.
Algunos ejemplos son los teléfonos inalámbricos, juegos interactivos,
etc.
Asíncronos: se trata de dispositivos que no necesitan del punto de
control para la conexión con otros dispositivos.
En la siguiente figura se muestra como se conecta Red HomeRF
190
WIRELESS PAN
Figura 6.10 Red HomeRF
6.4.2 Pila de protocolos
A nivel físico, Home RF emplea un espectro ensanchado por salto en
frecuencia (FHSS), al igual que Bluetooth, peo con 50 saltos por segundos frente a
los 1.600 de Bluetooth. Cuando la transmisión es un canal es imposible debido a
las interferencias, se cambia de frecuencia y la información se retransmite.
El nivel de MAC se ha optimizado para el entorno del hogar y permite
soportar tanto servicios de voz como de datos. En el primer caso, emplea un
esquema TDMA capaz de soportar hasta 6 conexiones de voz simultaneas,
basada en el estándar DECT mientras que para el segundo se opta por un acceso
al medio del tipo CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)
típico de las redes WLAN (como es el caso de 802.11) admite la comunicación de
datos hasta 2 Mbps y permite conectar hasta un total de 127 dispositivos.
191
WIRELESS PAN
6.4.3 Seguridad
El primero de los mecanismos de seguridad proporcionados por Homero es
la utilización de una dirección IP 24 bits que da lugar a una subred concreta para
cada hogar. De este modo, se envía el acceso de usuarios externos a dicha red,
además, como complemento, se cifran los datos con una clave de 56 bits.
6.5 IRDA
Otras de tecnología inalámbrica muy extendida en IrDA (Infrared Data
Association), que especifica un conjunto de estándares para la comunicación en la
banda infrarroja: IrDA-Data, IrDA-Control y algunos otros. En general, IrDA se
emplea para proporcionar conectividad inalámbrica entre dispositivos. Se trata de
enlaces punto apunto con visión directa entre los dos extremos, por lo que su
aplicación principal es la conexión de periféricos a un PC en las que el cable se
sustituye por un canal inalámbrico. De hecho, la distancias alcanzables se hayan
en torno al metro, con velocidades comprendidas entre 9.600 bps y 16 Mbps.
Tipo IrDA Bluetooth HomeRFTasa binaria (kbps) 4.000 1.000 2.000
Alcance (m) 1 10 50
Direccionalidad 30° (direccionalidad) 360 (omnidireccional) 360° (omnidireccional)
Numero de dispositivos 2 8 127
Trafico isócrono si si siCanales de voz 1 3 6Penetración de
paredes No Si Si
Espectro 850 nm (óptico) 2,4 Ghz (RF) 2,4 GHz (RF)Topología Punto a punto Punto a multipunto Red
Tabla 6.5 comparación entre tecnologías WPAN.
El grupo que desarrollaba el estándar HomeRF se disolvió en Enero de
2003.
192
WIRELESS PAN
Existen el HomeRF y el HomeRF2. La idea de este estándar se basa en el
Teléfono inalámbrico digital mejorado (Digital Enhaced Cordless Telephone,
DECT) que es un equivalente al estándar de los teléfonos celulares GSM.
Transporta voz y datos por separado. Al contrario que protocolos como el WiFi que
transporta la voz como una forma de datos. Los creadores de este estándar
pretendían diseñar un aparato central en cada casa que conectara los teléfonos y
además proporcionar un ancho de banda de datos entre las computadoras.
Las prestaciones de este sistema son:
Modulación FSK (Frecuency Shift Keying).
Velocidad de datos variables de entre 800 Kbps y 1.6Mbps.
Utiliza la banda de 2.4 Ghz.
75 canales de 1 Mhz para voz.
El HomeRF2:
Velocidad de entre 5 y 10 Mbps.
15 canales de 5 MHz para voz
Cabe resaltar que el estándar HomeRF posee multitud de capacidades de
voz (identificador de llamadas, llamadas en espera, regreso de llamadas e
intercomunicación dentro del hogar).
193
DISEÑO DE REDES WLAN
CAPITULO 7
7DISEÑO DE REDES WLAN
Objetivo:
En este capitulo se describirá de forma sencilla el diseño de una red WLAN,
desde la etapa de su planeación hasta la justificación económica, sin olvidar las
especificaciones de seguridad en la red.
194
DISEÑO DE REDES WLAN
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, existe un gran auge de las tecnologías WLAN, tanto en el
entorno residencial en forma de hotspot como en entornos empresariales en forma
de redes corporativas inalámbricas. Por esta razón se describirá a continuación la
metodología de planificación y diseño de una red WLAN como ejemplo de red
inalámbrica. Este proceso a traviesa una serie de fases que deben ser planificadas
con sumo cuidado. Estas fases son:
Planificación
Auditoria de red
Objetivos
Servicios
Diseño
Justificación económica
Además, como en todo proyecto, se deben considerar otros tipos de
actividades relacionadas con la gestión de proyectos propiamente dicha como son
la planificación de tareas y recursos o la elaboración de planes del proyecto, etc.,
sin embargo en esta ocasión solo nos enfocaremos a la planificación y al diseño
de la red.
195
DISEÑO DE REDES WLAN
7.1 PLANIFICACIÓN
La planificación es una de las etapas indispensables de un proyecto. Por
esta razón merece la pena invertir cierto tiempo en identificar las actividades
implicadas, ordenándolas, estableciendo relaciones de dependencia entre ellas y
definiendo su prioridad y su distribución temporal. Tres son los beneficios que
aporta la planificación de proyectos: prevención, detección y reacción. Las etapas
del proceso de planificación son las siguientes:
Auditoria de la red
Fijación de los objetivos de la red
Una vez que se dispone de toda esta información, se pasa al a planificación
del proyecto propiamente dicha, que, entre otras cosas, consiste en:
Descomposición de las fases del proyecto en actividades y tareas.
Estimación de la duración de cada tarea.
Establecimiento de dependencias entre las tareas.
Estimación del coste de cada tarea, tanto en tiempo como en recursos.
Asignación de recursos a las tareas.
Establecimiento de hitos.
Programación del proyecto y elaboración de planes.
7.1.1 Auditoria de la Red
En el caso de que ya exista una red instalada dando servicio a la empresa,
el primer paso es analizar el estado actual de dicha red con el fin de determinar si
cubre las necesidades de la empresa.
196
DISEÑO DE REDES WLAN
En general, cuando se aborda el diseño de una red WLAN es porque se
desea soportar la movilidad de los usuarios, algo que la red cableada no soporta.
Sin embargo, para evitar que la nueva red suponga una disminución de las
prestaciones, conviene revisar el equipamiento existente y evaluar sus
características.
Es necesaria, por tanto, una auditoria de la infraestructura existente. Esta
documentación debe organizarse en nivel de campus y en nivel WAN.
Un campus está constituido por uno o varios edificios conectados a una
misma red LAN corporativa compuesta, a su vez, por uno o varios segmentos. Se
suele corresponder con una ubicación geográfica concreta de la empresa (o la
empresa en su totalidad, dependiendo de su tamaño). La característica
diferenciadora de la red a nivel de campus respecto del nivel WAN es que, en el
primer caso, los recursos empleados para implementar la red pertenecen a la
empresa que la explota mientras que en el segundo se suelen emplear recursos
de uno o varios operadores. Sobre la red de campus debe recopilarse la siguiente
información:
Topología de la red: es recomendable dibujar un esquema en el que se
representen los niveles (acceso, distribución y troncal), dispositivos y las
velocidades de los puertos.
Plan de direccionamiento: es decir, qué criterios se siguen para la
asignación de direcciones IP.
Ubicación de servidores y puntos de acceso: la identificación de estos
dispositivos en etapas tempranas de la planificación conlleva
importantes beneficios. Una vez decidida la localización de servidores y
puntos de servidores, conviene revisar aspectos tales como la
disponibilidad y la fiabilidad, la escalabilidad, el ancho de banda
disponible o los servicios ofrecidos.
197
DISEÑO DE REDES WLAN
Análisis de los dispositivos con el fin de identificar aspectos de hardware
o software que puedan influir en la implementación.
Finalmente, habrá que proceder a la documentación y evaluación de la
infraestructura de cableado y alimentación.
7.1.2 Fijación de los Objetivos de la Red
Una vez determinado el estado actual de la red, el siguiente paso es
establecer la situación que se desea alcanzar.
En primer lugar, se identifican las expectativas de los usuarios a partir de
una serie de entrevistas con un número considerable de los mismos de manera
que queda totalmente claro cuales son las mejoras que dichos usuarios esperan
obtener de la red.
Además, habrá que realizar un estudio que determine qué aplicaciones y
qué protocolos se están empleando y que qué necesidades de ancho de banda
requieren. La figura siguiente resume estos aspectos.
Descripción Throughput MovilidadNúmero
de Usuarios
Dispositivos Perfil de Usuarios
Nivel de seguridad
Autentificación Confidencialidad
Figura A.1 Ejemplo de Servicios Ofrecidos por la red
Se puede aprovechar la instalación de la WLAN para analizar la red actual y
definir una estrategia de mejora de la misma. Habrá que revisar las políticas de
gestión del tráfico con el fin de asignar a cada tipo la polaridad adecuada y de
asegurar el ancho de banda a dichas aplicaciones.
198
DISEÑO DE REDES WLAN
Finalmente, se determinan los objetivos de fiabilidad de la red. El diseño y
la implementación de una solución con el nivel de disponibilidad adecuado es una
tarea muy compleja.
Primeramente, se determinan los requerimientos del negocio y se
especifican aspectos clave como el grado de disponibilidad de la red (capacidad
del sistema para dar servicio, durante periodos definidos, a un nivel definido) o las
características de operación continua (capacidad del sistema para presentar
servicio en cualquier momento). Un punto importante es el análisis del impacto
que supondría la pérdida de beneficios como a la pérdida de mercado. Otra tarea
a realizar es un estudio económico y estratégico de la ampliación del servicio.
Hecho esto, es necesario traducir los requerimientos del negocio en
información con la que un ingeniero pueda trabajar durante el diseño de la
solución. El resultado son unos objetivos del nivel de servicio que deben quedar
recogidos y registrados adecuadamente.
Con toda esta información suficientemente clara, se pasa a definir las
características de los equipos, a elegir los productos que cumplan los requisitos
fijados y a implementar la solución diseñada, sin olvidar que habrá que
mantenerla. Este proceso debe llevarse a cabo de manera sistemática e iterativa,
tal y como muestra la siguiente figura A.2
199
DISEÑO DE REDES WLAN
Figura A.2 Proceso de fijación de objetivos de disponibilidad
7.1.3 Densidad de Usuarios
Uno de los datos que es importante conocer a la hora de dimensionar
cualquier tipo de red es determinar el número de usuarios simultáneos que deberá
soportar el sistema. Resulta conveniente tener en cuenta las previsiones de
crecimiento de personal de la empresa.
200
Determinación de los requerimientos
del negocio
Definición de los requerimientos de proceso de datos
Diseño
Selección de productos
Implementación
Actualización
DISEÑO DE REDES WLAN
7.2 ANÁLISIS
La fase de análisis consiste en la evaluación de las tecnologías y servicios
disponibles así como del modelo de diseño que mejor se adapte a los objetivos
establecidos durante la fase de planificación.
Modelo de Referencia
Con el fin de ser capaces de abordar cualquier proyecto WLAN, se platea
un modelo de referencia compuesto por cuatro grupos lógicos (ver figura A.3) y, a
partir del cual, podremos construir en cada caso una red adecuada a nuestras
necesidades particularizando cada grupo (incluso eliminándolo) para cada
situación.
Figura A.3 Diseño lógico de la seguridad WLAN
Clientes
P
WLAN
Servidor Radius
Autentificación
Autoridad de Certificación
Certificados
Servidor de Certificados
DNS DHCP SERVIDOR SERVIDOR WEB DE DIRECTORIOGESTION
DE RED
Infraestructura
201
DISEÑO DE REDES WLAN
En cualquier caso, uno de los criterios del diseño es la escalabilidad del
mismo. La solución propuesta se adapta al tamaño de la implementación y puede
crecer (o disminuir) con las necesidades de la empresa.
7.2.1 Seguridad
En este punto describiremos un modelo de referencia de empresa en el que
se instala una red WLAN. A la hora de afrontar un nuevo proyecto, para
determinar los requisitos de seguridad, conviene centrarse en si las pautas dadas
aquí tienen sentido o no, en lugar de si el perfil de la empresa en cuestión se
adapta al descrito.
La tabla A.9 resume los problemas de seguridad existentes en una WLAN
así como las medidas que deben tomarse para mitigarlos.
Sea cual sea la estrategia que se siga, debe cumplir los siguientes
requisitos:
Eliminar o reducir sustancialmente las amenazas de seguridad.
Las medidas de seguridad que se tomen deben tener un impacto
mínimo en la red.
Los costes de desarrollo y mantenimiento deben ser suficientes bajos
como para la red sea rentable para un número reducido de usuarios
(menos del 10% de los empleados de la empresa).
Soporte de una amplia variedad de clientes y dispositivos.
Resilencia frente a fallos de un único componente.
Escalabilidad y capacidad de adaptación (servidor RADIUS, PKI, etc.)
para otras aplicaciones.
Facilidad de gestión que utiliza la infraestructura de gestión y
monitorización existente (si la hubiera).
Protección frente a fallos.
Basada en estándares.
202
DISEÑO DE REDES WLAN
En una red WLAN el control de acceso se considera dividido en dos fases.
En primer lugar, antes de que el usuario móvil se asocie a un punto de acceso
debe autentificarse. Este procedimiento es característico de las redes WLAN. Tras
la asociación al AP, el usuario móvil ya está conectado a la red y, por tanto, puede
acceder a cualquier recurso conectado a la misma. Para controlar esta segunda
etapa se emplea un Firewall o técnica similar.
Amenaza Línea de acción
Escucha de los datos
La asignación y cambio dinámicos de las claves de encriptación de cada cierto tiempo y el hecho de que las
claves son únicas para cada sesión de usuario hacen que los datos sean inteligibles para usuarios desconocidos.
Intercepción y modificación de los
datos
Puesto que el flujo de información entre el AP y el cliente viaje encriptada con claves dinámicas, un usuario
malicioso no puede interceptar y modificar la información
SuplantaciónLos mecanismos de autentificación previenen que
usuarios no autorizados accedan a la red para introducir datos no deseados en la misma
Acceso libre Mecanismos de autentificación fuertes previenen los usos no autorizados de la red
DoS IEEE 802.11i soluciona este problema
Amenazas accidentalesSe trata de invitados que acceden por casualidad a la red
WLAN corporativa. Con una política de autentificación bien diseñada queda resuelto el tema
Usuarios extraños no autorizados
La única solución es utilizar herramientas de software que escaneen le red para detectar AP e identificar los AP
no autorizados
Tabla A.1 Amenazas de seguridad en una WLAN
Una primera aproximación consiste en permitir que únicamente un conjunto
limitado de direcciones de MAC se conecte al AP. El principal problema es la
incomodidad que supone el mantenimiento de la lista y su distribución a todos los
puntos de acceso constituye una tarea demasiado tediosa. Además, si los AP
pertenecen a distintos fabricantes, el formato de la lista puede tener que estar en
distintos formatos, etc.
203
DISEÑO DE REDES WLAN
Otra Posibilidad es conceder la conexión solo a aquellos usuarios móviles
que posean una clave WEP válida. Sin embargo, WEP es un protocolo de
seguridad muy fácil de romper, por lo que es necesario buscar otras
aproximaciones, salvo que no se desee restringir el acceso o que los requisitos de
seguridad no sean demasiado estrictos.
Cuando se requiere un acceso seguro se opta por otros esquemas más
robustos: IPsec y 802.1x/EAP. IPsec es un conjunto de estándares que garantizan
una comunicación privada segura a través de una red IP, así como la
confidencialidad, la integridad y autenticidad de la información. Sin embargo,
precisa de la instalación en cada usuario móvil de un cliente IPsec. Una
arquitectura de este tipo requiere de un servidor RADIUS (o cualquier otro servidor
de autentificación) junto con el software VPN elegido. Otra alternativa consiste en
centralizar la autentificación y la distribución dinámica de claves. Los tres
principales elementos de 802.1x/EAP son:
Autentificación mutua entre el cliente y el servidor.
Generación dinámica de claves tras la autentificación.
Política de control centralizada.
Con 802.1x/EAP habrá que incluir, al menos un servidor de autentificación.
Además, si se emplea PEAP será necesario un servidor PKI para la verificación y
emisión de certificados digitales.
Las opciones de que disponemos (además de no instalar la red WLAN si no
es capaz de satisfacer los requisitos de seguridad) son las siguientes:
Utilizar la seguridad básica 802.11.
Soluciones basadas en VPN.
Soluciones basadas en IPsec.
Solución basada en 802.1x/EAP.
204
DISEÑO DE REDES WLAN
7.3 DISEÑO
Ahora se trataran los cálculos a realizar para obtener los requerimientos
técnicos del sistema que garanticen el cumplimiento de los objetivos definidos
durante la etapa de planificación. El proceso de diseño está compuesto por las
siguientes etapas:
Selección de la tecnología.
Ubicación de los puntos de acceso.
Movilidad.
Una vez diseñada la red, el paso siguiente es proceder a la implantación de
la misma. Esta etapa del proyecto abarca aspectos tales como la configuración y
el montaje de los equipos, por lo que está ampliamente relacionado con el diseño
de la red.
7.3.1 Selección de la Tecnología
A la hora de seleccionar la tecnología no solo hay que tener en cuenta
criterios técnicos sino que, al tratarse de redes inalámbricas que hacen uso del
espectro radioeléctrico, son necesarias algunas consideraciones de otra índole.
Por ejemplo, en España actualmente la banda de los 5 GHz pertenece al ejercito,
lo que descarta la utilización de 802.11ª y 802.11g.
Ya en plano técnico, uno de los aspectos clave es la velocidad. Por lo
general, para la gran mayoría de los usuarios, las ventajas como la movilidad o los
menores costes de instalación no tienen ninguna importancia si la comodidad con
205
DISEÑO DE REDES WLAN
la que realizan su trabajo diario se ve afectada. En este sentido, la velocidad que
les ofrezca la red inalámbrica adquiere una importancia fundamental. A medida
que nos alejamos del punto de acceso y que aumenta la frecuencia, esta
velocidad disminuye, como puede apreciarse en la grafica de la figura A.4. A la
hora de interpretar esta grafica, debemos considerar que los valores
representados corresponden a entornos interiores de oficina y que en el exterior
los alcances pueden llegar a ser incluso 5 veces mayores. En cualquier caso, la
distancia real depende del entorno.
0
10
20
30
40
50
60
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72Alcance (m)
Velo
cida
d (M
bps) OFDM (5 GHz)
DSSS (2.4 GHz)
Figura A.4 Dependencia entre la velocidad y el alcance.
Esta dependencia de la velocidad y el alcance tiene como consecuencia
que alrededor del punto de acceso se crean zonas de cobertura de distintos
anchos de banda.
206
DISEÑO DE REDES WLAN
Figura A.5 Anillos de Cobertura.
7.3.2 Número de puntos de acceso
El diseño de una red de radio, en general, depende fuertemente del entorno
en el que se va a instalar, pues no es posible establecer un método determinista
para el cálculo de los puntos de acceso. Sin embargo, existe una formula que
permite obtener una primera aproximación, si bien, siempre que sea posible, el
diseño debe guiarse por una inspección visual y pruebas de campo. No obstante,
en los casos en que resulta imprescindible elaborar una oferta, por ejemplo, y no
se disponga de datos reales podemos aplicar los siguientes principios.
En cualquier caso, hay que tener en cuenta que las redes inalámbricas son
redes compartidas y, por ello, el ancho de banda total debe repartirse entre todos
los usuarios conectados a la red. El número de puntos de acceso deberá ser
suficiente para garantizar el ancho de banda exigido por los servicios a todos y
cada uno de los usuarios. Viene dado por:
207
30 m
AP
100-150 m
DISEÑO DE REDES WLAN
Donde:
BUPUSR: ancho de banda por usuario en el canal ascendente.
BDOWNUSR: ancho de banda por usuario en el canal descendente.
NUSR: número de usuarios.
USR: actividad de los usuarios (valor orientativo 25%).
P: eficiencia de los protocolos (valor orientativo 50%).
RN: tasa de asociación.
Las características de los servicios que se pretenden ofrecer, tanto a los
empleados como a los clientes, no exigen grandes cantidades de ancho de banda,
por lo que un valor de 500 kbps unidireccionales por cada usuario es más que
suficiente.
Sin embargo, siempre que sea posible el diseño de la red debe estar
basado en un trabajo de campo consistente en la inspección visual del entorno, en
la estimación de las pérdidas de propagación y en la definición de una estrategia
de reutilización de frecuencias.
Las perdidas de propagación indican cuánto se atenúa la señal en su
trayecto del origen al destino y van a determinar el número de paredes que puede
atravesar la señal que, a su vez, indicará el número de puntos de acceso
necesarios. Para calcular las pérdidas de propagación es imprescindible estimar la
absorción de las paredes, por lo que supondremos una situación de partida como
la de la figura A.6.
208
DISEÑO DE REDES WLAN
Figura A.6 Modelo de referencia.
En este escenario, la potencia recibida Pr, en función de la potencia
transmitida por el punto de acceso (Ptap), la ganancia de la antena (Gt), la
ganancia de la antena receptora (Gr), la distancia entre el punto de acceso y el
dispositivo móvil (d), las pérdidas de propagación en las paredes (Lp) y las
perdidas de propagación multicamino (Lms), viene dada por la siguiente expresión:
El valor de las pérdidas por propagación multicamino suele encontrarse
entre los 12 y los 20 dB. Para asegurar la cobertura, debemos considerar el peor
caso, es decir 20dB. Por otra parte, la potencia recibida a 1 m del punto de acceso
viene dada por:
Combinando las dos ecuaciones anteriores, obtenemos que la potencia
recibida en cualquier punto será:
A partir de esta expresión se van estimando las pérdidas de propagación en
las paredes midiendo la potencia recibida por el dispositivo móvil y teniendo en
cuenta las características de los equipos empleados. Valores comunes son 16
dBm para la potencia transmitida por el punto de acceso y 2 dBi para la ganancia
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
d1-2 d3-4 d5-6 d7-8 d9-10 d11-12 d13-14
209
DISEÑO DE REDES WLAN
de las antenas. Con estos datos, la potencia recibida a un metro del punto de
acceso es -40 dBm.
Con el valor calculado para las pérdidas sufridas por la señal al atravesar
cada una de las paredes, se obtiene el valor medido. De esta forma, se minimiza
el efecto de la propagación multicamino. Por ejemplo, supongamos los valores de
la tabla A.2.
Pared Lp(dB)0-1 7.98
2-3 6.04
4-5 7.16
6-7 2.34
8-9 0.03
10-11 2.36
12-13 4.62
Medida 4.36
Tabla A.2 Perdidas en pared.
Una vez calculado este valor, ya estamos en condiciones de calcular el
número de paredes que puede atravesar la señal transmitida por el punto de
acceso, es decir la separación entre dos puntos de acceso. Para ello, dada una
potencia mínima recibida (Pth), el número de paredes que puede atravesar la señal
será:
Estrictamente hablando, habría que tener en cuenta la propagación de la
señal entre plantas. Sin embargo, debido a la estructura metálica de las vigas que
separan cada planta, en teoría la señal del punto de acceso de una planta no se
recibe en un dispositivo de una planta diferente. Aunque, en la práctica, hay
ocasiones en las que sí es posible la recepción. Esto pone de manifiesto, una vez
210
DISEÑO DE REDES WLAN
más, la importancia del trabajo de campo como metodología a la hora de
implementar una red WLAN.
7.3.3 Mapa de frecuencias
Por otra parte, para evitar las interferencias entre los puntos de acceso es
necesario diseñar una estrategia de reutilización de frecuencias. Dada la topología
celular, debemos asegurar que las frecuencias empleadas en cada una de las
celdas y, por tanto, la frecuencia a la que transmiten los puntos de acceso, deben
escogerse de manera que las interferencias sean mínimas. La figura A.7 muestra
el nivel de interferencia clasificados en tres grupos.
De acuerdo con la tabla mostrada en la figura A.7, con el fin de utilizar el
máximo número de canales simultáneos sin interferencias, deben escogerse
patrones del tipo 1-5-9-13. Sin embargo, un método propuesto por el
departamento de Comunicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia
demuestra que soportado un nivel de interferencia mínimo, podemos ganar un
canal más y emplear un patrón de del tipo de 1-4-7-10-13. Estos patrones pueden
reutilizarse tanto en horizontal como en vertical, teniendo en cuenta que las
frecuencias similares deben estar lo más separadas posible (ver figuras A.8 y A.9)
211
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1312345678910111213
Interferencia entre
canales mínima o nula
Riesgo de Interferencia
Entre canales
Interferencia entre
canales
Piso 4
Piso 3
Piso 2
Piso 1
DISEÑO DE REDES WLAN
Figura A.7 Interferencia entre canales adyacentes
Figura A.8 Distribución de canales Figura A.9 Distribución de canales
en horizontal en vertical
7.3.4 Ubicación de los puntos de acceso
Como hemos señalado a la hora de calcular las pérdidas, las estructuras
metálicas influyen notablemente en la ubicación de los puntos de acceso. Así
debemos evitar, siempre que sea posible, situar los puntos de acceso cerca de los
baños, por ejemplo, ya que las tuberías reducirán el alcance y estaremos
desaprovechando la cobertura del punto de acceso en cuestión.
En edificios con patios interiores, es posible aprovechar las ventanas para
dar cobertura al otro lado del patio e incluso al piso superior, ya que las pérdidas a
través del cristal son mucho menores que las pérdidas entre plantas debido a la
inexistencia de vigas.
7.3.5 Alimentación de los puntos de acceso
212
DISEÑO DE REDES WLAN
Una alimentación fiable es vital en una solución WLAN. El empleo de SAI
(Sistemas de Alimentación Ininterrumpida) es una buena práctica para proteger a
la red frente a fallos en el sistema de alimentación. Un SAI es un equipo que
dispone de una batería que suministrará potencia en caso de caída de la
alimentación durante un cierto intervalo de tiempo. En el diseño de una red de SAI
podemos elegir una de las siguientes tres estrategias:
Emplear cableado de backup en los paneles de conexión. De esta
forma, se asegura que la alimentación se mantendrá en los puntos de
acceso.
Utilizar SAI que sirvan a todo el edificio. Esta solución consigue la
protección de todos los dispositivos y permite implementar aplicaciones
de datos con una disponibilidad elevada.
Usar un generador de potencia separado (además de la alimentación
procedente de la empresa de suministro eléctrico) como backup. En
este caso, también es necesario un conjunto de SAI porque el
generador secundario tarda cierto tiempo en entrar en funcionamiento.
La gran ventaja de esta opción es que el SAI no necesita tanta batería
como en las dos estrategias anteriores.
Actualmente, para cubrir la alimentación de los puntos de acceso se emplea
una solución denominada PoE (Power Over Ethernet) en la que se aprovechan los
pares 1 y3 del cable de red para transportar la alimentación.
7.3.6 Movilidad
En una red inalámbrica, en general, se distinguen dos grados de movilidad:
Portabilidad: es decir la capacidad de conectarse desde cualquier lugar
eliminando la barrera física que supone conectarse a través de un cable.
213
DISEÑO DE REDES WLAN
Movilidad total: engloba la anterior, junto con la capacidad de poder
moverse libremente mientras se está conectado.
La diferencia entre la una y la otra estriba en que, en el primer caso, cada
vez que se cambia de ubicación es necesario reestablecer todas las conexiones
de red y únicamente se facilitan las tares de reconfiguración mientras que, en el
segundo, el estado de las conexiones se mantiene de manera transparente al
usuario.
En un entorno WiFi, si se desea que los usuarios dispongan de capacidad
de itinerancia entre las áreas de cobertura de los diferentes puntos de acceso, es
necesario que dicho usuario mantenga su dirección IP. Por este motivo, todos los
puntos de acceso (y los usuarios) deben estar en la misma subred.
Por otra parte, seria deseable que los usuarios móviles automáticamente se
configuraran a nivel de IP. La manera más sencilla de conseguir esto es mediante
DHCP.
DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) es un protocolo empleado
para que un equipo (cliente DHCP) perteneciente a una red IP obtenga su
configuración de un servidor DHCP, simplificando así las labores de
administración de la red. Una de las opciones de configuración más usuales es la
obtención de la dirección IP.
7.4 JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA
El éxito de un proyecto no está determinado únicamente por su viabilidad
técnica. Además, debe ser rentable económicamente hablando. En la mayoría de
las ocasiones, por no decir en su totalidad, la ejecución de cualquier proyecto se
lleva a cabo con la esperanza de obtener un beneficio económico.
214
DISEÑO DE REDES WLAN
Resulta muy complejo establecer un método exacto para demostrar la
rentabilidad de un proyecto genérico ya que es muy difícil tener en cuenta los
incrementos de las ventas producidos gracias a la introducción de las tecnologías.
Por tanto, optaremos por una aproximación más conservadora basada en las
mejoras de la productividad interna y el calculó del retorno de la inversión (ROI,
Return Of Investment).
El ROI se define como el tiempo empleado en recuperar una determinada
inversión y puede calcularse, en función de la inversión inicial (INV, Investment) y
del beneficio medio anual (AMB, Annual Mean Benefit) como:
La inversión inicial no es más que el coste total del sistema. Para calcular el
beneficio medio anua, únicamente consideraremos el aumento de la productividad
de los empleados, sin contemplar otras ventajas, como la reducción de los costes
de la re, la mejora en los procesos de toma de decisiones y otras difícilmente
medibles. Como aproximación, supondremos que el AMB es la diferencia entre los
beneficios derivados de la productividad (PI, Productivity Improvement) y los
gastos de mantenimiento, que supondremos equivalentes a un 1% de la inversión
inicial.
Para calcular el PI, asumiremos que la mejora percibida por el usuario se
reduce un 50% debido a la subjetividad y que no todos los aumentos de la
productividad se traducen en un incremento de los beneficios (consideraremos
que únicamente lo hacen un 50% del total). Así, el PI diario, se obtendrá en
función de la mejora percibida por el usuario en su trabajo (MPI, Mean Productivity
Improvement) y del coste por hora de trabajo del usuario (UHC, User Tour Cost),
como:
215
DISEÑO DE REDES WLAN
Existen estudios que se han especializado en estudiar el MPI en función de
los diferentes perfiles de usuario. Según estos estudios, los valores recomendados
son los recogidos en la tabla A.8.
Perfil de Puesto MPI (horas/día)
Ingeniería/gestión de producto 1.49
Fabricación 1.33
Ventas 0.67
Marketing 1.8
Soporte a clientes 1.47
Tabla A.3 Valores recomendados del MPI.
Únicamente queda calcular, ahora, el coste por perfil de puesto que
suponen todos los empleados de la empresa.
Perfil Número UHC
Gestión de Producto
Fabricación
Ventas
Marketing
Soporte a producto
Figura A.10 Ejemplo de tabla para los Costes de los Empleados
Por tanto, el PI, en euros por día, será:
Tipo de Empleado MPI UHC PI parcial
Gestión de Producto 1.49
Fabricación 1.33
216
DISEÑO DE REDES WLAN
Ventas 0.67
Marketing 0.80
Soporte Producto 1.47
Total
Figura A.11 Mejora de la productividad
Si tenemos en cuenta que el año tiene 365 días y que, según hemos dicho
antes, los costes de mantenimiento serán del 1% del coste de la inversión inicial,
el AMB vendrá dado por la expresión:
Una vez calculado el AMB, ya estamos en condiciones de calcular el ROI y
determinar la viabilidad de la inversión.
217
CONCLUSIONES
Al investigar las diferentes tecnologías inalámbricas que existen en México,
nos dimos cuenta de la importancia que tiene su uso en las comunicaciones.
Además de que comprendimos por que es necesario conocer los diferentes tipos
de propagación y modulación de una señal mediante ondas electromagnéticas, y
es que las propiedades que éstas presentan son de gran utilidad en el momento
de diseñar una red inalámbrica.
Sin embargo a pesar de que las comunicaciones inalámbricas están
tomando un mayor mercado, aun no están en condiciones de sustituir a las redes
cableadas, ya que a pesar de sus ventajas, sus velocidades de transmisión son
muy inferiores a las de sus antecesoras cableadas, este hecho es en gran medida
a la tecnología que utilizan, además igualmente se encuentran limitadas en su
radio de cobertura, ya que como vimos una señal radioeléctrica se atenúa
rápidamente con la distancia o con los objetos que tiene que atravesar desde su
punto de origen hasta el destino, además de que son seriamente contaminadas
por otras fuentes de transmisión o de energía.
Por otra parte fuimos capaces de ver las diferencias existentes entre las
tecnologías de comunicación móvil, mejor conocida como “comunicaciones
móviles” y es que a pesar de que su principio operacional es el mismo, las
diferencias tecnológicas provocan que las transmisiones sean totalmente
diferentes, especialmente en las velocidades y en la cobertura.
Como por ejemplo la primera versión de GSM solo podía transportar los
datos a una velocidad de 9.6 Kbps, una capacidad muy reducida comparada con
las tecnologías de la generación 2.5G, que incluye HSCSD, GPRS y EDGE; que
soportan velocidades de transmisión de datos mayores, como por ejemplo HSCSD
que soporta hasta 57.6 Kbps al cambiar únicamente el tipo de modulación e
introducir 4 slots adicionales de hasta 14.4 Kbps, o EDGE que logra incrementar la
218
transmisión de datos sobre la red GSM/GPRS al utilizar una modulación y una
codificación distintas.
También nos dimos cuenta de que el mayor representante de las
comunicaciones inalámbricas a gran distancia son las “Comunicaciones
Satelitales” sin embargo no son una opción viable para comunicaciones
particulares, pues es necesario ya sea poner en orbita un propio satélite o rentar el
servicio de uno ya en orbita, y cualquiera de ambas opciones es demasiado
costosa.
Además de que conocimos un poco sobre las características principales de
un satélite, su funcionamiento y nos adentramos un poco en la topología que es
necesaria en un sistema satelital, como por ejemplo el enlace de subida, o el
enlace de bajada y en algunos casos los enlaces intersatelitales.
Por ultimo nos damos cuenta de que una de las tecnologías más
prometedoras y discutidas en esta década es la de poder comunicar estaciones de
trabajo mediante las diferentes tecnología inalámbricas. Sin embargo el despegue
de esta tecnología dependerá del precio de los dispositivos y de que los
fabricantes incorporen funcionalidades wireless, es decir, que incorporen las
tecnologías adecuadas para que los protocolos de las comunicaciones
inalámbricas sean accesibles sin la necesidad de una configuración complicada.
219
GLOSARIO
AAL (ATM Adaption Layer). Cada una de las cincos capas de adaptación definidas para
ATM. Hay varias opciones y su finalidad es el encapsulado del flujo de información (tramas o
paquetes) sobre el flujo de células de un circuito virtual.
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line). Línea digital de abonado asimétrica;
tecnología que permite la transmisión de señales analógicas y digitales en sentido descendente
(hacia el abonado) a velocidades de 1,5 a 8 Mbps y ascendente (hacia la central) de 16 a 40 kbps,
utilizando un par de cobre.
Ancho de Banda (bandwidth). Rango de frecuencias asignadas a un canal de
transmisión; se corresponde con las situadas entre los puntos en que la atenuación de la señal es
de 3dB. La representación gráfica de las frecuencias que componen un señal, o que pasan a través
de un canal de comunicaciones, es el “espectro” de la misma. En canales digitales, la capacidad de
transmisión en bps.
Atenuación. Perdidas que sufre el nivel de señal en su propagación.
ATM (Asynchonous Transfer Mode). Modo de transferenci8a definido para la RDSI de
banda Ancha, en el que la información se organiza en celdas de tamaño fijo (53 octetos). Es un
modo, de transferencia específica orientado a paquetes que utiliza un multiplexado por división en
el tiempo síncrono.
Banda Ancha. Característica de una red o servicio capaz de trabajr a velocidades mayores
de 1Mbps.
Bidireccionalidad. Capacidad de un sistema para transportar información en los dos
sentidos de la comunicación.
Bps (Bit Per Second). Es la abreviación para bit por segundo; también suele aparecer
como kbit/s.
Bluetooth. Estándar para comunicaciones que utiliza ondas de radio, a corta distancia, el
banda de 2,4 GHz, que permite la comunicación entre dos dispositivos y que no requiere licencia.
220
Byte . Un conjunto de bits tratados como una unidad. Normalmente, tiene una longitud de 8
bits (octeto). La capacidad de almacenamiento de un dispositivo se suele dar en bytes o en kbytes.
Capa Física. Responsable de la transmisión y recepción de flojos de celdas ATM sobre un
medio fisico determinado. Ademas, debe asegurarse de verificar la integridad de la información que
transporta y de que no existen errores en dicha información.
CATV (Cable Televisión/Community Antenna Television). Un sistema de
comunicaciones en el que múltilpes canales de Televisión se transmiten hasta los hogares
utilizando un medio de transmisión de banda ancha
CDMA (Code Division Multiple). El acceso Múltiple por División de Códigos (AMDC) se
emplea por las interfaces de aire cdmaOne (IS-95), cdma2000 y WCDMA, que se caracteriza por
su alta capacidad.
Codificación. Proceso mediante el cual se proporciona a la información el formato
adecuado para su transmisión por un determinado medio.
Control de acceso al medio. Mecanismo que arbitra la utlización de un determinado medi
por cierto número de usurios.
DSL. (Digital Subscriber Line). Línea digital de abonado.
EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution). Tasa de Datos Mejorada para la
Evolución Mundial de GSM, técnica mejorada de modulación de radio para GSM y TDMA (ANSI-
136) que amplia los intervalos de tiempo (timeslots) de radio hasta 48 kbps. Cuando se combina
con GPRS. Proporciona un ancho de banda máximo de 384 kbps por abonado.
GPRS (General Packet Radio Service). Servicio General de Radio por Paquetes, una
mejora sobre GSM que permite la transmisión de paquetes de datos a una velocidad de hasta
115kbps.
HDSL (High Speed Digital Subscriber loop). Línea digital de abonado de lata velocidad;
tecnología que permite la transmisión bidireccional, entre la central y el abonado, a velocidad de
hasta 2 Mbps sobre pares de cobre, alcanzando una distancia menor que con ADSL, debido a su
mayor complejidad.
221
IEEE (Institute of Electrical and Ellectronics Data). Organismo Americano, fundado en
1884, responsable de determinados estándares en el campo de las telecomunicaciones; los mas
importantes son la definición de los niveles 1 y2 para LAN.
IP(Internet Protocol). Protocolo de nivel 3 que contiene información de direccion y contriol
para el encaminamiento de los paquetes a traves de la red. Suele asociarse a TCP y esta
documentado en RFC 791, RFC 1009 y MIL STD 1777.
ISDN (Integrated Services Digital Network). Red Digital de Servicios Integrados, que
define una red conmutada de canales digitales que proporciona una serie de servicios integrados,
siguiendo las recomendaciones Serie I del CCITT. El servicio básico de ISDN, es llamado BRI y
tiene 3 canales: dos canales de datos de 64 kbps (llamado “canal D”). otro servicio de ISDN es
llamado PRI (Primary rate Interface) que proporciona 30 canales B (64 Kbps cada uno) y un canal
D (64 kbps). El canal D provee supervisión e inicialización de la llamada, manteniendo a los
canales Libres para transmitir datos.
Multiplexor. Dispositivo que permite la transmisión de varias señales por un mismo enlace
simultáneamente, pudiendo ser por división temporal o de frecuencia.
QoS (Quality of Service). Calidad de Servicio. Conjunto de parámetros y sus valores que
determinan las prestaciones de un circuito, red o servicio. Nivel de prestaciones de una red,
basada en parámetros como velocidad de transmisión, nivel de retardo, rendimiento, ratio de
pérdida de paquetes.
QPSK (Quaternary Phase Shift Keying). Tecnica de modulación que cambia la fase de la
señal dentro de un conjunto de cuatro fases.
TCP/IP (Transmisión Control Protocol/Internet Protocol). Serie de protocolos estandar de
comunicaciones, a nivel 3 y 4 de OSI, desarrollo por el Depto. De Defensa de EE.UU para la
interconexión de redes multivendedor. TCP es un protocolo a nivel de transporte, orientado a
conxión, e IP es un protocolo a nivel de red, no orientado a conexión.
Wi-Fi (Gíreles Fidelity). Estas siglas se asocian al estandar IEEE 802.11 para redes locales
inlambricas WLAN, que permiten hasta 11 Mbps sobre una distancia corta, y garantiza que los
equipos que las incorporen sean compatibles entre sí, asegurando la interoperabilidad.
WLAN (Huírteles Local Area Network). Red de area local sin cables, que utilize las ondas
de radio. Hay distintos estadles, lo mas conocidos son el 802.11b a 11Mbps y el 802.11a a 54
Mbps
222
BIBLIOGRAFÍA
Comunicaciones Inalambricas
David Roldan
Editorial Alfa-Omega RA-MA
Comunicaciones II, Comunicación Digital y Ruido
Enrique Herrera Pérez
Editorial Limusa
Pags. 19,20,31,-34,121,122, 127-134,
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