Tema 3 Comunicaciones Inalambricas by Andrea Guzman

U.D.3. CONEXIONES SIN CABLES Y DISPOSITIVOS MÓVILES 1. RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA En las primeras comunicaciones a larga distancia entre personas se utilizaban elementos visibles como columnas de humo, banderas de colores, antorchas, etc. Por tanto, se deduce que la luz se ha utilizado siempre como medio de comunicación ya que es fácil de producir y recorre largas distancias en línea recta. Luz visible es solamente una parte del espectro de radiación electromagnética. Dicha radiación puede propagarse sin intervención de la materia y en el vacío lo hará sin ningún tipo de atenuación. Por otra parte, una de las grandes limitaciones de las comunicaciones (en nuestro caso las comunicaciones informáticas) son los cables. Por ellos tiene que pasar la información y si se desconecta o daña este medio, la información dejará de fluir. Además, no siempre es posible instalar cables debido a las limitaciones físicas que puede presentar el lugar de instalación (muros, etc). Las instalaciones sin cables utilizan como medio de transmisión las radiaciones electromagnéticas y permiten comunicar diferentes equipos entre sí para conformar una red. Puesto que la radiación electromagnética es un fenómeno ondulatorio, es preciso estudiar las características y parámetros de una onda antes de introducirnos en el tema que nos ocupa. Los parámetros fundamentales de una onda son los siguientes: Amplitud (A): es el valor máximo que puede alcanzar la cresta o pico de una onda. En el caso de una onda electromagnética (suponiendo que se trate de luz visible), la amplitud está relacionada con la intensidad luminosa de dicha radiación. La amplitud se mide en metros (m). Frecuencia (f): es el número de ciclos que se repiten en un segundo. La frecuencia se mide en Hercios (Hz). Por tanto, 1 Hz equivale a un ciclo por segundo. Período (T): es el tiempo que tarda en producirse un ciclo. Dicho de otra manera, es el tiempo que tarda una onda en recorrer un ciclo. La radiación electromagnética se propaga a la velocidad de la luz (c). Se mide en segundos (s) y está dado por la inversa de la frecuencia, es decir, T=1/f. Así, una onda periódica de 50 Hz posee un período de 20 ms. Longitud de onda (λ): es la distancia que recorre una onda en un ciclo completo. También se puede definir como la distancia entre dos puntos consecutivos de la onda (por ejemplo, la distancia entre dos crestas consecutivas). Se mide en metros (m) aunque pueden utilizarse otras unidades de medida como el angström (Å). Cabe aclarar que 1Å=1x10-10 m. Puesto que velocidad (c) es espacio (λ) partido de tiempo (T), la longitud de onda (λ) queda expresada de la siguiente manera: λ= c. T = c/f

ya que:

T=1/f

Donde: c: es la velocidad de propagación de la radiación electromagnética (velocidad de la luz) expresado en (m/s). La velocidad de la luz en el vacío es de 300.000 km/s o 3x108 m/s. f: es la frecuencia de la radiación electromagnética expresada en (Hz). 1

Los parámetros descritos pueden observarse en la figura siguiente:

Se debe recordar que, aunque la longitud de onda (λ) y el período (T) están representados en el eje de absisas, la longitud se mide en metros y el período en segundos.

Ejercicios: Calcula las longitudes de onda de las señales emitidas por los siguientes dispositivos: DISPOSITIVO Mando a distancia Radio FM Teléfono móvil Televisor

FRECUENCIA 330 GHz 108 MHz 1800 MHz 800 MHz

LONGITUD DE ONDA (m) 9,09 x10-4 m 2,78 m 0,17 m 0,375 m

Mando a distancia: λ= c. T = c/f = 3x108 / 330x109 = 9,09 x10-4 m Radio FM: λ= c. T = c/f = 3x108 / 108x106 = 2,78 m Teléfono móvil: λ= c. T = c/f = 3x108 / 1800x106 = 0,17 m Televisor λ= c. T = c/f = 3x108 / 800x106 = 0,375 m

2. EL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO En las comunicaciones inalámbricas se utilizan radiaciones electromagnéticas de diferentes frecuencias y, por tanto, diferentes longitudes de onda.

La parte del espectro

electromagnético cuyas frecuencias se encuentran comprendidas entre los 3 kHz y los 300 GHz recibe el nombre de espectro radioeléctrico. A continuación se presenta un esquema y una tabla explicativa dicho espectro.

BANDA

f (Hz)

Onda extremadame nte larga (ELF)

Onda muy larga (VLF)

Onda larga (LW o LF)

Onda (MF)

media

Onda (HF)

corta

VHF (Very High Frequency)

UHF (Ultra High Frequency)

SHF (Super High Frequency)

EHF (Extremely high frequency)

> 3 kHz (por ejemplo la red de energía eléctrica de 50 Hz)

APLICACIONES

6.000.000 m

Distribución de energía eléctrica. No es parte del espectro radioeléctrico

3…30 kHz

100…10 km

30…300 kHz

10…1 km

0,3…3 MHz

1000…100 m

3…30 MHz

100…10 m

30…300 MHz

10…1 m

300…3000 MHz

1 m…10 cm

3…30 GHz

10…1 cm

30…300 GHz

10…1 mm

Se utilizan en navegación (radiofaros, balizas). Se propagan por la superficie terrestre (guiadas por la propia curvatura) y requieren antenas de grandes dimensiones. Las ondas son reflejadas por la ionósfera por lo que se pueden alcanzar miles de km. Se utilizan en radiodifusión (AM), en sistemas de radioaficionados, militares, etc Entre las antenas de emisor y receptor no deben existir obstáculos (propagación visual a través de la tropósfera). El alcance es de unas decenas de km. Se utilizan en radiodifusión (FM), teléfonos móviles, TV, etc Todas las ondas con una f>1 GHz se denominan “microondas”. Ocupan a partir de 1 GHz de las UHF, SHF y EHF. Las antenas receptoras y emisoras deben estar perfectamente orientadas ya que el haz de radiación es muy estrecho. Se utilizan en comunicaciones satelitales y radares.

3. TIPOS DE CONEXIONES SIN CABLES En cualquier tipo de red o sistema de comunicación se pueden encontrar los siguientes elementos: Emisor: es el que genera una señal (petición u origen de la comunicación) Medio de comunicación: es por donde viaja la comunicación. Receptor: es el destinatario de la información. Como se ha explicado, en la comunicación inalámbrica o sin cables (wireless) no se utiliza un medio físico como medio de comunicación y se puede establecer una clasificación de los distintos tipos de conexiones inalámbricas atendiendo al alcance, al ancho de banda de transmisión, a la frecuencia, etc. El principal criterio de calificación es el que se realiza atendiendo al alcance de la comunicación inalámbrica en cuestión. En la siguiente tabla se indican los tipos conexión inalámbrica que se utiliza en cada tipo de red (inalámbrica). TIPO DE RED WPAN (wireless personal area network)

CONEXIÓN INALÁMBRICA UTILIZADA RFID, Bluetooth, infrarrojos (IrDA)

WLAN (wireless local area network) WMAN (wireless metropolitan area network)

Wi-Fi

WWAN (wireless wide area network)

1G, 2G, 3G y 4G (en desarrollo)

WiMAX

APLICACIONES Etiquetas de ropa, llaves de vehículos, tarjetas de crédito, sistemas de telepeaje, teléfonos móviles, impresoras Conexión entre ordenadores, móvlies, etc Está en fase de desarrollo. Pensada para facilitar conexión en zonas rurales y metropolitanas. Telefonía móvil

A continuación se detallarán las particularidades de cada tipo de conexión inalámbrica). •

RFID (radio frequency identification – identificación por radiofrecuencia) Es un sistema de almacenamiento de datos e identificación usado para etiquetas de ropa,

llaves de vehículos, tarjetas de crédito, sistemas de telepeaje, etc. El propósito de esta tecnología es transmitir la identidad de un objeto mediante ondas de radio. Se trata de un pequeño dispositivo que puede adherirse a un producto o insertarse en un animal o en una persona. El sistema RFID está compuesto por los siguientes elementos: Una etiqueta RFID que contiene, por un lado, una antena para comunicarse por radiofrecuencia (enviar y recibir datos) con un un emisor-receptor. Por otro lado, la etiqueta contiene un chip donde se almacena la información. Un lector que envía señales perióicamente para ver si hay etiquetas en sus inmediaciones. En caso que haya una etiqueta cerca, captará la señal (ya que inducirá una pequeña corriente eléctrica en la antena), extraerá la información y la enviará a un ordenador para ser procesada.

Algunas etiquetas de mayor tamaño suelen incluir una pequeña batería. En este caso la detección puede lograrse a cientos de metros.

Antena

Chip

•

Es una de las tecnologías con mayores perspectivas de futuro ya que sus posibles aplicaciones son innumerables. A modo de ejemplo se pueden citar las siguientes: - Identificación de animales - Sustituirá al código de barras de los productos de supermercado. Así, con sólo pasar por un lector con los productos, serán detectados y automáticamente se ralizará el pago y la factura. - Seguimiento de equipajes en los aeropuertos - Se podrá disponer este sistema en la nevera para llevar un control automático de productos existentes, caducados, etc. Igualmente, en una lavadora, se podría seleccionar automáticamente el programa de lavado si las prendas poseen el chip con la información correspondiente a la misma.

Infrarrojos (tecnología IrDA – Infrared data association – Asociación de datos por infrarrojos) Los infrarrojos son, como sabemos, un tipo de radiación electromagnética con menor

frecuencia que la luz visible. Por tal motivo no podemos ver dicha radiación pero sí sentirla (en forma de calor). Su longitud de onda es mayor que la de la luz visible y menor que la microonda. Posee las mismas propiedades que la luz visible, es decir que no pueden atravesar objetos sólidos como las paredes y pueden reflejarse en algunas superficies. Por otro lado, su alcance es bastante reducido (algunas decenas metros) por lo que se utiliza para conectar dispositivos que se puedan “ver” entre sí. Los infrarrojos se utilizan en mandos de remotos (televisores, apertura de puertas, etc), en la comunicación a corta distancia de un ordenador con sus periféricos y en los equipos de visión nocturna. Como esta radiación no puede atravesar paredes no existe la posibilidad de interferencias con sistemas infrarrojos adyacentes. El consumo de potencia es muy bajo. El sistema tiene varias limitaciones, a saber: su alcance es limitado, es muy sensible a objetos móviles, la luz solar directa y luces brillantes interfieren en la señal y la velocidad de transmisión de datos es reducida (entre 9.600 bps y 4 Mbps). Como los datos informáticos se basan en la numeración binaria, en la comunicación infrarroja se codifica teniendo en cuenta el siguiente criterio: 0 si no hay luz (infrarroja) y 1, si la hay. El equipo emisor codifica los datos que hay que enviar en una codificación de 0 y 1 que provocará una secuencia de encendido y apagado de un LED infrarrojo (IrLED). Éste envía ráfagas de luz encendida o apagada con una determinada secuencia. Cuando el equipo receptor reciba dicha secuencia, la decodificará para transformarla en datos nuevamente.

•

Bluetooth Bluetooth es el nombre común con de la especificación IEEE 802.15.1. Dicha especificación es un protocolo estándar de comunicación para redes locales de área personal inalámbricas (WPAN) que permite realiazar comunicaciones de voz y datos entre dispositivos de corto alcance mediante radiofrecuencia. Trabaja con una frecuencia de 2,4 GHz y está diseñado para transmitir audio y datos

entre

teléfonos

móviles,

PDAs,

portátiles,

netbooks,

impresoras, radios de coches, cámaras digitales, etc. La banda de frecuencia elegida no interfiere con frecuencias utilizadas en la industria, la ciencia y la medicina. En ese aspecto, es muy similar a los sistemas Wi-Fi. El núcleo del sistema Bluetooth consiste en un transmisor de radio que modula y transmite la señal con los datos deseados. Cuando se desarrolló la primera generación de Bluetooth, se tenía como prioridad lograr un sistema de bajo consumo energético ya que estaba destinado a personas dedicadas a los negocios que viajaban frecuentemente. Para ello se desarrolló un chip que consume un 97% menos de energía que un teléfono móvil. Según el alcance y el ancho de banda se pueden distinguir tres tipos: Clase 1: 100 mW de potencia y 100 de alcance Clase 2: 2,5 mW de potencia y 25 m de alcance Clase 3: 1 mW de potencia y aproximadamente 1 m de alcance Con esta tecnología se pueden transmitir datos con una velocidad de 720 kbps. Se trata de una velocidad de transferencia que, como veremos, resulta bastante más lenta que la que se obtiene con la tecnología Wi-Fi. Puesto que esta tecnología utiliza la misma banda de frecuencia que la tecnología Wi-Fi, suelen producirse algunas interferencias. Por tal motivo el estándar 1.2 de Bluetooth se actualizó para que no existan interferencias cuando se utilicen ambas tecnologías simultáneamente. •

Wi-Fi (Wireless Fidelity – Fidelidad inalámbrica) Utiliza la tecnología de la radiofrecuencia para la conexión de ordenadores, móviles, etc., en redes inalámbricas de área local (WLAN). Existen varios estándares, siendo los más comunes los IEEE 802.11b con una velocidad de transferencia de 11 Mbps y el IEE 802.11g con una velocidad de 54 Mbps.

También existen otros estándares como IEEE 802.11n, que ofrece una velocidad de transferencia de 108 Mbps y el IEEE 802.11 a (conocido como Wi-Fi 5). El último estándar trabaja con una frecuencia de 5 GHz para evitar interferencias con la tecnología Bluetooth. En el último caso, el alcance es de un 10% respecto a los estándares que trabajan con 2,4 GHz. Existen varios dispositivos que permiten interconectar dispositivos Wi-Fi: o

Routers Wi-Fi: Reciben la señal ofrecida por el operador de telefonía y la reparten entre los dispositivos de recepción Wi-fi que se encuentren a su alcance. o

Dispositivos de recepción: pueden ser tarjetas PCI (que se instalan dentro de los ordenadores de sobremesa), tarjetas USB (que se conectan en cualquier puerto USB) o bien pueden estar integrados en la propia placa madre del ordenador. Los ordenadores portátiles

actualmente incorporan en su placa madre los circuitos necesarios para recibir las señales Wi-Fi. Como se ha dicho, este sistema utiliza ondas de radio, por las cuales circula la información. Los datos se superponen a la onda portadora de radio que se modula en aplitud mediante un proceso llamado “modulación”. Finalmente, los datos pueden ser extraídos mediante el proceso inverso denominado “demodulación”. La figura siguiente muestra como una secuencia binaria de ceros y unos “modulan” la amplitud de la onda portadora de radio. La frecuencia de la onda portadora, como se ha dicho, es de 2,4 GHz.

Las redes basadas en sistemas Wi-Fi son más lentas que las cableadas pero permiten el acceso de múltiples dispositivos sin problemas. La desventaja fundamental está en el campo de la seguridad ya que existen programas que pueden captar los paquetes de información transmitidos, descifrar la contraseña de red y entrar en ella. •

WiMAX (Worldwide interoperability for microwave access - Interoperabilidad mundial para acceso por microondas) Es un estándar utilizado en redes inalámbricas metropolitanas (WMAN) de banda ancha. Se encuentra en fase de desarrollo y está pensada para facilitar la conexión en zonas rurales y en zonas

metropolitanas alejadas del núcleo central. En dichas zonas, de baja densidad poblacional, el coste de instalación de cable o fobra óptica resultaría demasiado alto.Las señales que viajan por cable se convierten en ondas de radio, que se transmiten por aire mediante una red de estaciones base. Cada estación base conecta con múltiples usuariossituados a grandes distancias. (entre 50 y 60 km). Cada usuario recibe la señal mediante pequeños paneles situados en el exterior del edificio. WiMAX utiliza ondas de radio de frecuencias que oscilan entre 2,3 y 3,5 GHz y puede transmitir datos con una velocidad de 70 Mbps (similar a la del sistema ADSL o cable módem, que ofrece una velocidad de 8 Mbps en la bajada de datos y una velocidad de hasta 1 Mbps en la subidad).

•

Telefonía móvil La telefonía móvil permite conectar un terminal (generalmente, un teléfono o un

módem USB) con una red de comunicaciones para la transmisión de voz o datos. La evolución de esta tecnología puede resumirse de la siguiente manera: -

1G, la primera generación: aparece en 1979. Es analógica, destinada estrictamente para transmitir voz y de muy baja calidad. Se utilizaron frecuencias de 450 MHz en un primer momento y de 900 MHz después. Para conectarse a internet, aparece el protocolo WAP (wireless application protocol).

2G, la segunda generación: se trata de una tecnología digital que apareció en 1990. La tecnología predominante es GSM (proviene del francés groupe spécial mobileSistema Global para Comunicaciones Móviles). Opera en frecuencias de entre 850 MHZ y 1900 MHz. Estuvo diseñada para transmitir voz con velocidad de transmisión de datos de 9,6 kbps.

GPRS (General Packet Radio Service-servicio general de paquetes vía radio). Es considerada la tecnología 2.5 ya que es una modificación de uan red GSM. Resulta especialmente útil para conectarse a internet y ofrece una velocidad de transmisión de datos de 114 kbps.

3G, la tercera generación: permite transmitir voz y datos a la vez (evidentemente permite transmitir solo voz). La definición técnicamente correcta es UTMS (universal mobile telecommunications system – servicio universal de comunicaciones móviles). La velocidad de transmisión oscila entre los 300 kbps y los 3 Mbps.

4G, la cuarta generación: se trata de una colección de tecnologías y protocolos para permitir el máximo rendimiento del procesamiento. Está en proceso de desarrollo bajo el término LTE (long term evolution). Se trata de una tecnología basada en el protocolo IP. Ofrece una velocidad de transferencia de 100 Mbps en movimiento y de 1 Gbps en reposo.