ANALISIS DE PROGRAMACION EN INTERIORES EN LA BANDA DE 2.4 GHZ. PARA EL DISENO DE COBERTURA DE LA RED IEEE802.11B., G DE ESIME ZACATENCO

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

ANÁLISIS DE PROPAGACIÓN EN INTERIORES EN LA

BANDA DE 2.4 GHz, PARA EL DISEÑO DE

COBERTURA DE LA RED IEEE802.11b, g DE ESIME

ZACATENCO

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS EN

INGENIERIA DE TELECOMUNICACIONES

PRESENTA:

MAURICIO MARTÍNEZ RAMÍREZ

DIRECTORES DE TESIS:

M. en C. SERGIO VIDAL BELTRÁN

M. en C. JORGE ROBERTO SOSA PEDROZA

Agradecimientos y Dedicatorias

Quiero agradecer a la vida por haberme dado todo lo que he necesitado y un poco más, porque me puso en el seno de una familia maravillosa, me ha dado amigos excepcionales y me ha mostrado el amor verdadero. Es por ello que quiero dedicar como agradecimiento este trabajo a todas esas personas que han llenado mi camino de alegría y felicidad, a todos aquellos que en momentos difíciles tuvieron una palabra de aliento y esperanza, a los han creído en mí, a los que en momentos de oscuridad me han guiado, a los que me han hecho ver mis errores, a los que han estado presentes en mi formación para llegar a ser un profesionista, por todo lo brindado y muchas cosas mas, mil gracias. En especial quiero dedicarlo a las siguientes personas.

A mis Padres, ya que la mejor herencia que me han dejado son mis estudios. Este logro ha sido gracias a ustedes, jamás encontraré palabras que describan el agradecimiento por todo lo que han hecho por mí, los amo con todo mi corazón.

Al Instituto Politécnico Nacional por abrirme las puertas para cumplir con mi formación y darme las armas suficientes para cumplirla.

A mis hermanos Xóchitl, † Verito, Lalo, Alán y Luis. Xóchitl gracias por ser como eres y enseñarme a convivir con mi ambiente, Verito que Dios te tenga en la santa gloria, te agradezco por haberme permitido compartir infinidad de cosas contigo, gracias a ti nunca estuve solo y si tuviera la oportunidad de volver a nacer me encantaría ser nuevamente tu hermano, Lalo gracias por tu apoyo incondicional, Alán gracias por estar a mi lado, a todos ustedes mi mas sincero agradecimiento.

A mis † Abuelos que en Paz descansen….

A mi Director de Tesis M. en C. Sergio Vidal Beltrán con Admiración, por haber reforzado mi camino hacia la rectitud y honestidad, sé que no pude haber tenido mejor asesor.

A mi Codirector de Tesis M. en C. Jorge Sosa con admiración y respeto.

A mis Tíos, Tías, Primos, Primas, Sobrinos, por toda la ayuda dada para que lograra concretar este trabajo y por mostrarme la chispa de la felicidad.

Al amor de mi vida Annie, por animarme a concluir este trabajo, por mostrarme la vida de una manera diferente y por llenar mi vida de felicidad.

ANÁLISIS DE PROPAGACIÓN EN INTERIORES EN

LA BANDA DE 2.4GHZ, PARA EL DISEÑO DE

COBERTURA DE LA RED IEEE802.11b, g DE

ESIME ZACATENCO

Páginas

Índice i

Índice de Figuras iv

Índice de Tablas vi

Abstract viii

Resumen ix

Objetivo x

Justificación xi

1. Introducción. 1

1.1. Evolución de las Comunicaciones Móviles 1 1.2. Características de una Red LAN Inalámbrica 4 1.3. Espectro Inalámbrico y Estándares para redes de 4ª

Generación 5

1.4. Limites de las Redes LAN Inalámbricas 6 1.5 Técnicas de Radio- Transmisión en Redes Inalámbricas

de Banda Ancha 6

1.6 Estándares para Redes LAN Inalámbricas 9

1.6.1 Breve Descripción de IEEE802.11 10

1.6.2 Descripción de HiperLAN 11

1.6.3 Bluetooth 13

1.6.4 IEEE802.11 vs HiperLAN 14

2. Marco de Referencia. 15

2.1 Análisis de Propagación en Interiores 15

2.1.1 Investigación Experimental 15

2.1.2 Investigación Teórica 15

2.1.3 Mecanismos de Propagación de la Teoría de Rayo 16

2.2 Modelos de Propagación en Interiores 17

2.2.1 Modelos de Propagación Empíricos 18 2.2.1.1 Modelo de una Pendiente 19

2.2.1.2 Modelo Multi- Paredes 19

2.2.1.3 Modelo de Atenuación Lineal 20 2.2.1.4 Modelo de Espacio Libre Modificado (MF) 21 2.2.1.5 Modelo Motley- Keenan (MK) 21 2.2.2 Dependencia de la Distancia y la Pérdida por

2.2.3 Parámetros para Evaluación de Enlace 23 2.3. Consideraciones de Diseño de una Red LAN

Inalámbrica 23

2.3.1. Proceso Típico para el Diseño de una Red

LAN Inalámbrica 25

3. Descripción del Estándar IEEE802.11 27

3.1 IEEE802.11 en la Familia IEEE802 27

3.2. Arquitectura de una red IEEE802.11 29

3.3. Servicios de una Red 802.11 30

3.4. Servicios Definidos en la subcapa MAC 33 3.4.1 Métodos de Acceso al Medio 33 3.4.1.1 Función de Coordinación Distribuida DCF 33 3.4.1.2 Función de Coordinación de Punto PCF 35 3.4.2. Fragmentación y Reensamblado 36 3.4.3. Autenticación y Privacidad 36 3.4.3.1 Sistema de Autenticación Abierto 36 3.4.3.2 Autentificación por Llave Compartida 37

3.5. Formato de las Tramas MAC 37

3.5.1 Formato General de las Tramas 37

3.6. Arquitectura de la Capa Física 39

3.6.1. Capa Física 802.11 FHSS 40

3.6.2. Capa Física 802.11 DSSS 41

3.6.3. Capa Física 802.11b HR/DSSS 42 3.6.4. Capa Física 802.11a OFDM 43 3.6.5. Capa Física 802.11g DSSS/OFDM 45

4. Análisis de Propagación en Interiores en la Banda de 2.4GHz en

la ESIME Zacatenco 47

4.1 Mediciones de Propagación en el Edificio 2 de la

ESIME Zacatenco 47

4.1.1 Caracterización de las Instalaciones 47

4.1.2. Equipo de Medición 48

4.1.3 Tipos de Mediciones Realizadas en los Interiores

del Edificio 2 49

4.2. Modelos de Predicción de Pérdida por Trayectoria

en Interiores en la Banda de 2.4 GHz 51 4.2.1. Modelo de Predicción para Línea de Vista 52 4.2.2. Modelo Multi- Paredes en Combinación con el

Modelo de una Pendiente 56

4.2.3. Modelo de Predicción Sin línea de Vista con

Pérdida por Penetración en Paredes 58 4.2.4. Modelo de Predicción sin Línea de Vista con

Pérdida por Penetración en Pisos 61 4.2.5. Modelo de Predicción Sin Línea de Vista Con

4.3 Resultados del Análisis de Propagación 71

5. Diseño de la Cobertura de la Red Inalámbrica IEEE802.11b/g 72

5.1 Designación del Área de Cobertura 72

5.2. Planeación de la Capacidad 73

5.3. Velocidad Mínima Soportada 73

5.4. Sensibilidad de recepción 75

5.5. Elección de Punto de Acceso 75

5.6. Traslape de Celdas 76

5.7. Asignación de Potencia y Asignación de Canales 77

6. Conclusiones y trabajos futuros 85

6.1 Conclusiones 85

6.2 Trabajos futuros 86

6.2.1. Gestiones de Seguridad 87

6.2.2. Calidad de Servicio 89

6.2.3. Análisis de propagación mediante técnicas

computacionales 90

Glosario de Términos y Abreviaturas 91

Bibliografía 94

Anexo A. Hojas de especificaciones 97

Anexo B. Mapa de mediciones 99

Anexo C. Programas 100

Índice de Figuras

Página

Figura 1.1. Evolución de las Comunicaciones Móviles 2

Figura 1.2. Diagrama de Espectro Disperso 6

Figura 1.3. Proceso inverso de dispersión en presencia de interferencia:

(a) señal recibida, (b) resultado de la operación ε-1( ), y

(c) esultado de la operación F(t) 8

Figura 1.4. DSSS. Combinación de la secuencia PN con los

datos a transmitir. 9

Figura 1.5. Transmisión en FHSS. 9

Figura 1.6. Modelo referencia de HiperLAN/2 } 12

Figura 1.7. Funcionamiento de Bluetooth. 13

Figura 2.1. Mecanismos de Propagación 17

Figura 2.2. Parámetros para el modelo Multiparedes 20

Figura 2.3. Parámetros para el modelo de Espacio Libre

Modificado (MF) 21

Figura 2.4. Parámetros para el modelo Motley- Keenan 22

Figura 2.5 Proceso típico para el diseño de una red LAN inalámbrica. 26

Figura 3.1. Familia IEEE802 27

Figura 3.2. Familia del estándar IEEE802.11 28

Figura 3.3. Forma estructural del estándar IEEE802.11. 28

Figura 3.4. Arquitectura Completa de una red IEEE802.11 30

Figura 3.5. Procedimiento de Back off 34

Figura 3.6. Relación entre varios IFS´s. 35

Figura 3.7.Fragmentación 36

Figura 3.8. Formato de la Trama MAC 38

Figura 3.9. Campo de control. 38

Figura 3.10. Arquitecta de la subcapa Física. 39

Figura 3.11. Formato general de las tramas PLCP 40

Figura 3.12. Combinación de la secuencia PN con los datos a

transmitir en 802.11/ DSSS. 41

Figura 3.13. Canales definidos en 802.11b. Canales sin traslape

(figura superior), canales con traslape (figura inferior) 42

Figura 3.14. Codificación CCK para Transmisión a 5.5Mbps. 43

Figura 3.15. Codificación CCK para transmisión a 11Mbps. 43

Figura 3.16. Canales definidos en 802.11a. 44

Figura 4.1. Instalaciones de la ESIME Zacatenco. 47

Figura 4.2. Características de Construcción de los edificios de

la ESIME Zacatenco. 48

Figura 4.3. Punto de Acceso linksys BEFW11S4. 48

Figura 4.4. Analizador de Espectros Anritsu CellMaster 760- 215A. 49

Figura 4.5. Posición del Transmisor durante las Mediciones. 49

Figura 4.6. Pares de mediciones en paredes 50

en múltiples paredes. 50

Figura 4.8. Mediciones entre los pisos adyacentes. 51

Figura 4.9. Mediciones con línea de Vista a lo largo del corredor

del 2º piso. 52

Figura 4.10. Efecto multitrayectoria a lo largo del pasillo del 2º piso. La potencia del Transmisor (Punto de Acceso) es de 100mW (20dBm) con una frecuencia central de

2.412 GHz. 54

Figura 4.11. Pérdida por Trayectoria del modelo 1SM y pérdida por

trayectoria de las mediciones en función de la distancia para el caso de línea de vista (mediciones sobre el

pasillo del 2º piso del edificio 2). 55

Figura 4.12. Pérdida por Trayectoria del modelo MWM y

mediciones en función de la distancia tomando en cuenta la pérdida por penetración en paredes (mediciones dentro de los salones y cubículos del segundo piso del

edificio dos) 59

Figura 4.13. Pérdida por trayectoria del modelo MWM y

mediciones en función de la distancia tomando en cuenta la pérdida por penetración en pisos (mediciones

en el pasillo del 1er piso). 63

Figura 4.14. Pérdida por trayectoria del modelo MWM y

mediciones en función de la distancia tomando en cuenta la pérdida por penetración en pisos (mediciones en el

pasillo del 3er piso). 65

Figura 4.15. Pérdida por trayectoria del modelo 1SM, MWM y

mediciones en función de la distancia tomando en cuenta la pérdida por penetración en pisos y paredes (mediciones dentro de los salones y cubículos del 1er piso). 67

Figura 4.16. Pérdida por trayectoria del modelo 1SM, MWM y

mediciones en función de la distancia tomando en cuenta la pérdida por penetración en pisos y paredes (mediciones dentro de los salones y cubículos del 1er piso). 70

Figura 4.17. Mapa de mediciones entre el piso inferior del punto de acceso y el pisos superior, para el pisos superior, se observa que la medición es directamente afectada

por el mobiliario, y para el pisos inferior no. 70

Figura 5.1. Designación del área de cobertura. 72

Figura 5.2. Velocidades y potencia para 802.11b para la tarjeta 3com

OfficeConnect Wireless 11g PC Card modelo

3CRWE154G72 74

Figura 5.3. Velocidades y potencia para 802.11g para la tarjeta 3com

OfficeConnect Wireless 11g PC Card modelo

3CRWE154G72 74

Figura 5.4. Ventana de configuración deel punto de acceso AIR-

Figura 5.5. Traslape entre células para poder realizar gestiones de

movilidad. 77

Figura 5.6. Cobertura para un punto de acceso entre pisos. 78

Figura 5.7. Diseño de cobertura para el edificio 2, ubicación de puntos

de acceso y asignación de canales. 80

Figura 5.8. Ubicación de los puntos de acceso, canales a utilizar y

cobertura para el edificio 1. 82

Figura 5.9. Ubicación de los puntos de acceso, canales a utilizar y

cobertura para el edificio 2. 82

Figura 5.10. Ubicación de los puntos de acceso, canales a utilizar y

cobertura para el edificio 3. 82

Figura 5.11. Ubicación de los puntos de acceso, canales a utilizar y

cobertura para el edificio 4. 83

Figura 5.12. Ubicación de los puntos de acceso, canales a utilizar y

cobertura para el edificio 5. 83

Figura 5.13. Ubicación de los puntos de acceso, canales a utilizar y

cobertura para el edificio Z. 84

Índice de Tablas

Página

Tabla 1.1. Bandas ISM establecidas por la FCC en América 6

Tabla 1.2. Velocidad de Transmisión y Técnicas de Modulación

para HiperLAN. 12

Tabla 3.1. Características importantes de las capas físicas definidas en

802.11. 45

Tabla 4.1. Mediciones con línea de vista en el 2º piso del edificio 2, la potencia del transmisor es de 100mW [20 dBm]. 52

Tabla 4.2. Distancias de las mediciones, potencia medida, pérdida

por trayectoria, predicción del modelo MWM, error respecto a las mediciones, porcentaje de error por cada medición y

error promedio. 57

Tabla 4.3. Distancias de las mediciones, potencia medida, pérdida

por trayectoria, predicción del modelo MWM, error respecto a las mediciones, porcentaje de error por cada medición y porcentaje de error promedio para mediciones sin línea de vista con pérdida por penetración paredes (2º Piso). 59

Tabla 4.4. Distancias de las mediciones, potencia medida, pérdida

por trayectoria, predicción del modelo MWM, error respecto a las mediciones, porcentaje de error por cada medición y porcentaje de error promedio para mediciones sin línea de vista con pérdida por penetración pisos (1er Piso). 62

por trayectoria, predicción de los modelos MWM, error respecto a las mediciones, porcentaje de error por cada medición y porcentaje de error promedio para mediciones sin línea de vista con pérdida por penetración

pisos (3er Piso). 64

Tabla 4.6. Distancias de las mediciones, potencia medida, pérdida

por trayectoria, predicción de los modelo MWM,

error respecto a las mediciones, porcentaje de error por cada medición y porcentaje de error promedio para mediciones sin línea de vista con pérdida por penetración

pisos y paredes (1er Piso). 68

Tabla 4.7. Distancias de las mediciones, potencia medida, pérdida

por trayectoria, predicción de los modelos 1SM y MWM, error respecto a las mediciones, porcentaje de error por cada medición y porcentaje de error promedio para mediciones sin línea de vista con pérdida por penetración

pisos y paredes (3er Piso). 69

Tabla 4.8 Resultado de los parámetros para el modelo multi- paredes

en combinación con el de una pendiente y su optimización. 71

Tabla 5.1 Sensibilidad para la tarjeta 3com OfficeConnect Wireless 11g

PC Card modelo 3CRWE154G72 para el estándar 802.11g 75

Tabla 5.2 Sensibilidad para la tarjeta 3com OfficeConnect Wireless 11g

PC Card modelo 3CRWE154G72 para el estándar 802.11b 75

Abstract

This work named: ANÁLISIS DE PROPAGACIÓN EN INTERIORES EN LA BANDA DE 2.4GHZ, PARA EL DISEÑO DE COBERTURA DE LA RED IEEE802.11b, g DE ESIME ZACATENCO, it’s compose for 5 parts. It relates two points basically: Analysis of propagation in buildings and wireless networks IEEE802.11.

Resumen

El presente trabajo titulado: ANÁLISIS DE PROPAGACIÓN EN INTERIORES EN LA BANDA DE 2.4GHZ, PARA EL DISEÑO DE COBERTURA DE LA RED IEEE802.11b, g DE ESIME ZACATENCO, está compuesto de 5 apartados. Dentro de los cuales trata dos puntos básicamente: Análisis de propagación en interiores y redes LAN inalámbricas IEEE802.11.

Objetivo:

• Analizar un modelo de propagación empírico de interiores en la frecuencia de 2.4GHz, con base en mediciones para los edificios de la ESIME Zacatenco, que tome en consideración la pérdida por penetración en paredes y pisos.

Justificación

El desarrollo e implementación de una red LAN inalámbrica es mas complicada que el desarrollo de una red alambrada debido a que envuelve un enlace de naturaleza de radio frecuencia. Para el caso de redes IEEE802.11 en la banda de 2.4 GHz sólo se tienen accesibles 3 canales no traslapados, por lo que para implementaciones de coberturas grandes y distribuidas en forma tridimensional se tiene que tener mucho cuidado con el diseño, ya que se puede causar interferencia entre las celdas de cobertura y provocar interferencia.

Hay varias consideraciones que se deben de tomar en cuenta para el diseño de una LAN inalámbrica. La consideración primordial de una red LAN inalámbrica es brindar conectividad, o en otras palabras, es definir la cobertura para cada punto de acceso. La siguiente meta es soportar movilidad de las estaciones definiéndose ésta como la habilidad de mantener una sesión activa en la red cuando el usuario se mueve de una ubicación a otra. Finalmente brindar seguridad y asegurar calidad de servicio son las últimas consideraciones para completar el diseño de una red LAN inalámbrica.

El diseño de cobertura es el primer punto a considerar, para lograrlo se puede emplear modelos de propagación en interiores. La propagación en interiores difiere considerablemente con la propagación en exteriores. En ambientes confinados la distancia entre el transmisor y el receptor es menor, la atenuación causada por las paredes y el mobiliario es mayor, esto se debe a que normalmente la potencia para transmisiones en interiores es mucho menor. Los modelos de propagación están divididos en cuatro grupos: Modelos empíricos de banda angosta, modelos empíricos de banda ancha, modelos con variaciones de tiempo y modelos determinísticos. Los modelos empíricos de banda angosta son expresados mediante ecuaciones matemáticas simples, las cuales dan la pérdida por trayectoria como salida. Los modelos empíricos de banda ancha se expresan en forma de tabla, la cual enlista los valores promedios de retardos y el perfil típico de potencia. Los modelos con variaciones de tiempo se usan, por ejemplo, para estimar el espectro Doppler de la señal recibida. Los modelos determinísticos son métodos de cálculo los cuales simulan la propagación de ondas de radio. Estos modelos dan información acerca del canal de banda ancha o angosta y están basados en mediciones prácticas.

CAPÍTULO 1. Introducción

1.1. Evolución de las Comunicaciones Móviles

Los sistemas de comunicaciones móviles en la actualidad ofrecen una amplia gama de servicios que van desde la comunicación de datos y voz, videoconferencias y altas velocidades de transmisión para datos. Las comunicaciones de hoy en día se han convertido en uno de los segmentos con mayor y más rápido crecimiento dentro del área de telecomunicaciones. Las comunicaciones móviles han evolucionado de manera generacional, de tal forma que cada etapa o generación, tiene características diferentes, como los son los equipos utilizados, tipo de transmisiones (analógica o digital), modo de acceso al sistema, servicios ofrecidos, entre muchas otras.

Los sistemas móviles de primera generación introducidos en los inicios de los 80´s, se caracterizan por el uso de transmisiones analógicas de servicios de voz. Los equipos utilizados en ésta era fueron muy sencillos pero de gran tamaño, y los servicios estaban limitados. Los servicios más comunes fueron los de voz y radio- localización. Estos servicios se situaron dentro de la banda de los 800MHz y el tipo de modulación en frecuencia (FM.- Frequency Modulation). El modo de acceso al sistema por los usuarios era el acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA.- Frequency Division Multiple Access). Debido a la pronta saturación, provocó que se introdujeran diferentes tipos de re- uso de frecuencia para lograr establecer la demanda. Una de las tecnologías que aparecieron y que dieron el inicio de la segunda generación fue el acceso múltiple por división de tiempo (TDMA.- Time Division Multiple Access), que fue desarrollado y estandarizado por la Asociación de la Industria de las Telecomunicaciones (TIA.- Telecommunication Industry Association). La primera implementación de la telefonía celular del sistema telefónico móvil avanzado (AMPS.- Advanced Mobile Phone System) utilizó TDMA, en el estándar TIA llamado como IS-54. La evolución de éste estándar fue hacia el llamado IS-136, también conocido como D-AMPS (Digital- D-AMPS). TDMA como se definió en IS-54 e IS-136, logró triplicar la capacidad de usuarios en los sistemas celulares, al dividir el canal celular de 30KHz en tres ranuras de tiempo, el cual soporta tres usuarios quienes se alternan el uso del canal [1]. Otra tecnología utilizada en los sistemas de segunda generación ha sido el acceso múltiple por división de código (CDMA.- Code Division Multiple Access), esta tecnología utiliza espectro disperso, haciendo una dispersión de cada señal en un canal de 1.25 MHz, transmitiendo por todo el ancho de banda.

de 14.4 Kbps y una evolución del primer IS-95, conocido como IS-95B es capaz de ofrecer velocidades por encima de los 64 Kbps.

Figura 1.1. Evolución de las Comunicaciones Móviles.

Dentro de las comunicaciones móviles apareció una nueva tecnología, con las características de cubrir a usuarios traspasando fronteras. Este sistema es capaz de almacenar en un módulo la identificación del usuario (SIM.- Subscriber Identity Module), de tal forma que removiéndolo, el usuario puede hacer uso de cualquier otro dispositivo de la misma arquitectura, el cual obtiene la información del usuario precisamente de este módulo. En 1989 el Instituto de Estándares y Telecomunicaciones Europea (ETSI.- European Telecommunications Standards Institute), tomó la responsabilidad del desarrollo del Grupo Especial Móvil (GSM.- Group Special Mobile). Existen tres diferentes implementaciones de la tecnología

2G 4G (WLAN) M O V ILI DA D ACC ESO AL SI S T EM A

TDMA CD

MA CD MA -D S CD MA -M C CDM A -TD D FDMA/ T DMA C S M A /CA SI S T EM A S IM PL E M A N T A D O S A M PS , D-AM P S , GS

M-900, GSM 1

800 , G S M-190 0 GP R S ED G E IE EE802.1 1 IE EE802.1 1a IE EE802.1 1b IE EE802.1 1g Hipe rLAN Bluet ooth US UAR IO S PO R C ANA L 3- T D M A

64- CDMA _{128- CD}

M A 1 SER VICIO S OF RE CID O S VOZ DA TO S VO Z, D A T O S ALT A TR ANSFE RE N C IA DE DATO S, MULT IM E D IA, VO Z, V ID E O

GSM. Estas son: GSM-900 (opera de 880 a 960 MHz), GSM 1800 (opera de 1701 a 1880 MHz) y GSM-1900 (opera de 1850 a 1990 MHz). De alguna forma esta generación se encuentra en pleno uso en algunos países del mundo, sin embargo, cada una de estas tecnologías han crecido y tienen variantes que les han ayudado para la mejora de sus servicios, ya sea en la calidad, velocidad y el numero de usuarios que estos pueden alojar dentro de los anchos de banda. La tercera generación marca sus inicios en 1992, cuando la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU.- International Telecommunication Union) inició los trabajos para la planeación en la forma en que los sistemas modernos deberían trabajar bajo una armonía, a éstos trabajos se les conocieron como IMT-2000 (Internacional Mobile Telecommunication). La ITU vislumbró a IMT-2000 como un solo estándar global con capacidad de roaming entre distintas tecnologías, pero los diversos órganos reguladores de las telecomunicaciones de cada país, fabricantes y concesionarios de los servicios de las comunicaciones móviles, fueron incapaces de llegar a un acuerdo unánime. En octubre de 1999, los representantes de los diferentes países llegaron a un acuerdo. El resultado fue dejar al menos 3 diferentes modos de acceso al sistema: Acceso múltiple por división de código de banda ancha (W-CDMA.- Wideband CDMA), cdma2000 y duplexaje por división de tiempo (TDD.- Time Division Duplex). Los sistemas GSM tienen dos plataformas que anteceden a WCDMA que corresponde a los sistemas de 3G: La plataforma del servicio generar de paquetes vía radio (GPRS.- General Packet Radio System) y la mejora de velocidad para la evolución global (EDGE.- Enhanced Data Rates for Global Evolution). WCDMA es una tecnología de tipo asíncrona, con esparcimiento directo y tasa de chip de 4.096Mcps. El esquema WCDMA ha sido desarrollado como la opción para la migración del sistema GSM a la tercera Generación. WCDMA maneja canales de 1.25, 5, 10 y 20 MHz de ancho de banda, con tasas de chip de 1.024, 4.026, 8.192 y 16.384 Mcps respectivamente [2].

1.2 Características de una Red LAN Inalámbrica

Hace aproximadamente 8 años, la conectividad inalámbrica ha incrementado rápidamente. Esta conectividad no ha revolucionado solo para las comunicaciones telefónicas celulares, también se ha desarrollado en conectividades LAN inalámbricas. Una red LAN inalámbrica se diferencia con una alambrada por el medio de transmisión, en la primera el medio es el espacio libre y en la segunda se hace uso de conductores físicos. Aunque al principio la diferencia en las velocidades no era muy satisfactoria para redes inalámbricas, hoy en día las nuevas tecnologías ofrecen altas velocidades [4].

Las redes LAN inalámbricas brindan ventajas importantes. La ventaja mas obvia es la movilidad. Los usuarios pueden conectarse a una red LAN inalámbrica existente y pueden moverse libremente dentro del área de cobertura sin perder el acceso a la red. Otra ventaja es la flexibilidad, ya que una red LAN inalámbrica usa estaciones base (o puntos de acceso) para conectar a los usuarios. Una vez que la infraestructura ha sido instalada, para agregar un usuario solo basta darle autorización de acceder a la red a diferencia de una red LAN que requiere de una conexión física. Debido a que no se requiere cableado, el costo se reduce considerablemente. A continuación se hace mención de las ventajas mas importantes que se tiene en una red LAN inalámbrica sobre una red cableada [5], [6]:

Movilidad: Los usuarios se mueven, pero los datos normalmente son almacenados en un lugar central. Una red LAN inalámbrica permite a los usuarios acceder a los datos y mantener una comunicación aún cuando éste se encuentre en movimiento.

Facilidad y Velocidad de Implementación: Muchas áreas son difíciles de cablear en una tradicional red alambrada. Poner cables en paredes de viejas construcciones es frecuentemente un problema. En muchos lugares, como museos o edificaciones históricas no es permitido hacer instalaciones de cableado. Una red LAN inalámbrica es una opción para proveer a estos tipos de lugares conectividad inalámbrica.

Flexibilidad: Una red LAN inalámbrica permite a los usuarios una rápida forma de conectarse, además de que pueden moverse dentro de alguna oficina o cubículos. Hacer una expansión es muy fácil debido a que el medio de red está inmerso en cualquier lugar de cobertura del punto de acceso y no se requiere de nuevo cableado para brindar servicio a nuevos usuarios.

Como todas las redes, las redes inalámbricas transmiten datos sobre un medio de red. El medio de transmisión son ondas electromagnéticas. Para redes LAN inalámbricas dos tipos de ondas han sido ampliamente usados en aplicaciones de área local: luz infrarroja y ondas de radio. La mayoría de las PC’s portátiles y PDA’s vendidas actualmente tienen puertos de luz infrarroja, los cuales permiten conexiones rápidas hacia impresoras u otros periféricos. La desventaja de la luz infrarroja es que es fácilmente bloqueada por las paredes o algún otro tipo de construcción. Las ondas de radio pueden penetrar en las paredes y mobiliario de ambiente de oficina y ofrecen una cobertura grande.

Una red LAN inalámbrica puede trabajar bajo dos tipos de operaciones [5]:

a) Red Ad Hoc: Se llama así a una red, cuando existe comunicación entre los elementos que la componen, sin pasar por una estación que retransmita la información hacia el destinatario, sino, el enlace se hace directamente entre las estaciones.

b) Infraestructura: Principalmente se diferencia con una red ad hoc en que existen estaciones que retransmiten la información a los usuarios destinatarios, las coberturas son mayores, puede haber varias celdas que la conformen con servicios de hand off, etc.

1.3. Espectro Inalámbrico para Redes LAN Inalámbricas de 4ª Generación

En la actualidad, las redes LAN inalámbricas están basadas en las tecnologías de espectro disperso. Los diferentes tipos de redes LAN inalámbricas existentes en la actualidad, se distinguen entre sí por las bandas en las que se encuentran situadas, tecnologías de acceso, velocidades de transmisión, cobertura, entre otras características. Se pueden citar el estándar IEEE802.11, HiperLAN, HomeRF y Bluetooth como ejemplos de redes LAN inalámbricas [5].

Estos estándares, se han diseñado para usarse en las bandas industrial, médica y científica (ISM.- Industrial Scientific and Medical), y han sido especificadas por la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC.- Federal Communication Commission) en el apartado 15 y se clasifican de uso secundario. Entre otras cosas la FCC indica que la máxima potencia es de 1 Watt, además de que las tecnologías a emplearse son las de espectro disperso, con el fin de no interferir con las de uso primario (Las bandas de uso primario han sido planeadas para ser libres de interferencia, y son usadas para servicios como comunicaciones satelitales, comunicaciones de radio, etc.). A continuación se muestra una lista de las bandas ISM válidas en México y Estados Unidos.:

Rango de Frecuencia (MHz)

Ancho de Banda (MHz)

Nivel de Potencia Espectro Disperso

2.4-2 – 4835 83.5 MHz 1 w FHSS, DSSS

5.725 – 5.85 125 MHz 1 w FHSS, DSSS

Tabla 1.1. Bandas ISM establecidas por la FCC en América

1.4 Límites de las Redes LAN Inalámbricas

Las redes LAN inalámbricas no han venido a remplazar a las redes alambradas han venido a complementarlas. La velocidad de las redes inalámbricas esta limitado por el ancho de banda disponible [6]. Es por ello que este tipo de redes tienden a ser más lentas que las redes alambradas. Al usar ondas de radio como medio lleva consigo muchos retos. Las ondas de radio sufren un número de problemas por propagación que pueden interrumpir el enlace, tales como interferencia por el efecto multitrayectoria y la generación de sombras en la propagación. La seguridad en redes es primordial en cualquier tipo de red. Sobre redes inalámbricas, es frecuentemente un problema crítico, debido a que las transmisiones de la red están a la mano de cualquiera dentro del área de cobertura con un receptor apropiado.

1.5 Técnicas de Radio- Transmisión en Redes Inalámbricas de Banda Ancha

Las técnicas de radio- transmisión adoptadas y estandarizadas para redes LAN inalámbricas, en las bandas de 2.4GHz y 5GHz, están basadas en sistemas de Espectro Disperso. Espectro disperso por secuencia directa (DSSS.- Direct Sequence Spread Spectrum) y espectro disperso por salto de frecuencia (FHSS.- Frequency Hopping Spread Spectrum) son dos de los sistemas de espectro disperso utilizados por los equipos para redes LAN inalámbricas [3]. El estándar IEEE802.11 en su primera revisión en 1997 [7], especifica FHSS y DSSS en transmisiones a 1 y 2Mbps. IEEE802.11b publicada en 1999, especifica a DSSS para velocidades de 5.5 y 11Mbps.

Los sistemas de espectro disperso ofrecen diversas ventajas como son: Capacidad de Antijamming, disminuye las pérdidas por efecto multitrayectoria y redundancia. El diagrama a bloques más general de espectro disperso se presenta en la figura 1.2 [8].

s

ε

( )

s

canal

ε

( )=

ε

( )

s

Se observa que la operación de transmisor y receptor puede se divide en dos pasos. El primer paso, se refiere a una modulación primaria y en el cual se forma la señal de banda estrecha sn. En el segundo paso, o modulación

secundaria, se aplica la operación ε( ), dando como resultado una expansión del espectro de la señal a una de banda ancha. Esta señal se denota por sw. Al

extremo del receptor se realizan las operaciones inversas.

Capacidad Antijamming: Hace más de medio siglo el concepto de espectro disperso se introdujo para resolver el problema de comunicación fiable en presencia de un intenso jamming.

Si se asume que la señal sw se recibe en un relativo ancho de banda pequeño y una fuerte señal jamming in(t), para el proceso ε−1

( )

(

)

(

( )

)

( )

( )

− −

− _{ε ε ε ε}

ε 1 1 1

(1.1)

En otras palabras el proceso de de- dispersión ha convertido la entrada de la señal en una suma de la señal de banda estrecha y la señal de interferencia de banda ancha. Luego filtrando la señal de banda (operación F( )) con un filtro pasabanda Bn igual al ancho de banda de sn, tenemos:

(

)

( )

F + ≅ + = + (1.2)

De la ecuación (1.2) se puede observar que solo una pequeña parte de la energía de la señal de interferencia pasa por el filtro y continua como un residuo de interferencia iwr debido a que el ancho de banda Bw de iw es más grande que

Bn. En la figura 1.3 se representa este proceso. En la figura 1.3a se muestra la

señal recibida mezclada con una interferencia, la cual esta representada por la señal i_n, cuando se aplica nuevamente la dispersión de la señal (figura 1.3b), se observa que la señal de interferencia también es afectada. Cuando se pasa por un filtro pasa banda, se observa que la señal de interferencia se reduce en un gran porcentaje (figura 1.3c).

Espectro Disperso por Secuencia Directa (DSSS)

DSSS extiende la banda modulando la información con una secuencia de símbolos, haciendo uso de un esquema de codificación conocida como secuencia PN (Pseudo- Noise). La densidad de potencia de la señal dispersa es mucho menor es mucho mas baja que la densidad de potencia de la señal estrecha. Como consecuencia, es más difícil detectar la presencia de la señal dispersa. Esto permite a los equipos DSSS dar un enlace de comunicación seguro [4], [8], [9].

dispersión en el ancho de banda mayor al que normalmente se utilizaría, pero con una densidad de potencia menor.

Figura 1.3. Proceso inverso de dispersión en presencia de interferencia: (a) señal recibida, (b) resultado de la operación ε-1( ), y (c) resultado de la operación F(t)

La señal DSSS también tiene un factor de redundancia debida a la combinación de los datos a transmitir y la secuencia PN. Esta redundancia es la llave de la ventaja de DSSS ya que ayuda a dar inmunidad a posibles interferencias, ya que solo necesita recibir un bit para obtener la información correctamente. En la figura 1.4 un ejemplo de la combinación de una secuencia PN con dos bits a transmitir.

in

sw

f0 fi Bw

f

sn

sw

Bw

f

ηi

Bn

iw

sn

Bn

iwr (a)

(b)

Figura 1.4. DSSS. Combinación de la secuencia PN con los datos a transmitir.

Espectro Disperso por Salto de Frecuencia (FHSS)

FHSS tiene el mismo resultado que DSSS enviado la información por diferentes portadoras en diferentes tiempos. La portadora FHSS saltara sobre un determinado patrón de tiempo aleatorio definido sobre el ancho de banda a transmitir, el cual esta subdividido en subcanales de 1MHz. La FCC especifica que los canales que subdividan al ancho de banda sea menor a 75 canales. FHSS esta limitado a enviar solo pequeñas cantidades de información sobre cada canal en ciertas ranuras de tiempo antes de que se realice el salto al siguiente canal. A este tiempo se le conoce como tiempo de habitación. El tiempo de habitación para los equipos se limita a 400µs. La idea de realizar los saltos es prevenir señales de interferencia al no dispersar por mucho tiempo en una frecuencia específica. En la figura 5 se muestra un ejemplo de una transmisión de FHSS en el dominio de la frecuencia [4], [8],[9].

Figura 1.5. Transmisión en FHSS.

1.6 Estándares para Redes LAN Inalámbricas

En la actualidad existe una gran variedad de estándares para redes LAN inalámbricas. Las cuales brindan una gran variedad de características, entre las que sobresalen: área de cobertura, velocidades de transmisión, canales

Potencia

Frecuencia XOR 1 periodo de bit 1 periodo de bit

11 chips 11 chips Secuencia PN

Datos a Transmitir

utilizables, entre otras. A continuación se enlistan los estándares para redes LAN inalámbricas más usados:

• Estándares de la IEEE802.11.

• HiperLAN.

• Bluetooth.

1.6.1 Breve descripción de IEEE802.11

El objetivo del estándar IEEE802.11 es desarrollar un Control de Acceso al Medio (MAC) y especifica la capa física (PHY) para conectividades Inalámbricas entre terminales fijas y móviles dentro de una Red de Área Local.

El estándar IEEE802.11a es una evolución del IEEE802.11, el cual fue desarrollado para proporcionar conectividad multimedia inalámbrica a terminales portátiles, en ambientes de área local, llamados WLAN (Wireless LAN). La primera versión comercial de este estándar (IEEE802.11b), utiliza la banda de 2.4 a 2.4835 GHz (Banda ISM), que no requiere licencia en México y en algunos otros países. Las técnicas de transmisión de radio de IEEE802.11b son de dos tipos [3], [10]:

• Espectro Disperso de Secuencia Directa (DSSS).

• Espectro Disperso por Saltos en Frecuencia (FHSS).

El estándar para DSSS provee el uso de tres canales de 22 MHz de ancho de banda cada uno. Por su parte, FHSS utiliza 79 canales de banda angosta, de 1 MHz de ancho de banda cada uno, y se seleccionan de acuerdo a una secuencia pseudo aleatoria, a una tasa de 1600 saltos por segundo.

IEEE802.11a esta situada en la banda de los 5 GHz la cual esta a salvo de interferencia por otras tecnologías y tiene más ancho de banda disponible, lo que permite trabajar hasta una tasa de 54 Mbps, en incrementos de canales de 20 MHz de ancho de banda. El método de modulación utilizado por este estándar está basado en multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM.- Orthogonal Frequency Division Multiplexing), también conocido como modulación multiportadora [11].

1.6.2 Descripción de HiperLAN.

El estándar HiperLAN tuvo su origen en el proyecto demostrador de red del modo de transferencia asíncrona (ATM.- Asynchronous Transfer Mode) inalámbrica (WAND.- Wireless ATM Network Demostrator), que fue parte del programa de servicios y tecnologías de comunicaciones avanzadas (ACTS.- Advanced Communications Technologies and Services) de la comunidad europea. HiperLAN fue diseñado teniendo en cuenta los requerimientos de una red multimedia inalámbrica, la cual debería cumplir con los requisitos de calidad de servicio (QoS.- Quality of Service) tal como lo hace una red ATM alambrada. Entre los servicios que pueden ser soportados por la red HiperLAN/2 se encuentran [3], [12]:

• Conferencias multimedia.

• Telefonía/Audio.

• Aplicaciones generales de redes de computadoras.

• Bases de datos multimedia.

• Seguridad y monitoreo.

• Navegación por Internet.

• Tele trabajo.

Modelo de referencia [3]

HiperLAN abarca las siguientes entidades funcionales:

• Puntos de Acceso (AP.- Access Point), que corresponden a los puntos de interfase hacia redes dorsales.

• Controladores de Puntos de Acceso (APC.- Access Point Controller), los cuales presentan interfaces específicas de red por medio de funciones entre redes.

• Funciones InterWorking, las que transladan la interfaz interna (B.2) de la red HIPERLAN/2 hacia interfaces específicas de redes externas.

• Transceptores de puntos de acceso (APT.- Access Point Transceptor), distribuidos de forma tal que sean capaces de proporcionar cobertura a través del área de servicio de la red de acceso de radio de banda ancha.

• Adaptadores de terminal (TA.- Terminal Adapter), los que abarcan una terminación de radio.

• Terminaciones de Radio (RT.- Radio Terminal), corresponden a la parte de radio de los TA’s.

Figura 1.6. Modelo referencia de HIPERLAN/2

Para servir como red de acceso, opera en modo centralizado, a través de un punto de acceso fijo. También proporciona la capacidad de trabajar en modo directo, para construir una red “Ad-Hoc”; en este caso se selecciona (dinámicamente) una terminal como Controlador Central (CC). Las redes HiperLAN están diseñadas para trabajar en las bandas:

• 5.150 – 5.350 GHz, con máximo de 200 mW de potencia isotrópica radiada efectiva (PIRE) para interiores

• 5.470 – 5.725 GHz, con 1 W máximo de PIRE para interiores y exteriores.

Capa Física de HiperLAN [3], [12]

La capa física de HiperLAN ofrece servicios de transferencia de información a la capa control de enlace de datos. Para mejorar la capacidad del enlace de radio, se aplica una capa física de tasa variable. La tasa efectiva de transmisión puede ser variada desde 6 hasta 54Mbps, usando varios alfabetos de señales para la modulación de las sub-portadoras OFDM y aplicando diferentes tasas de codificación convolucional para el canal, tal como se muestra en la tabla 1.2.

Modulación Tasa de Codificación R. Tasa Tx (Mbps)

BPSK ½ 6

BPSK 2/4 9

QPSK ½ 12 QPSK ¾ 18

16QAM 9/16 27

16QAM ¾ 36

64QAM ¾ 54

Tabla 1.2. Velocidad de Transmisión y Técnicas de Modulación para HiperLAN. Usuario

Inalámbrico IWF

Terminador de Radio

Trans- Receptor

(APT)

Controlador

(APC) IWF

Red Dorsal

Adaptador de Terminal Punto de Acceso

Sistema HiperLAN/2

1.6.3 Bluetooth.

Bluetooth ha emergido como el principal estándar de redes Ad Hoc. Este estándar describe cómo lograr la movilidad de teléfonos, computadoras, PDA´s, los cuales pueden interconectarse entre ellos haciendo uso de una interconexión inalámbrica. La conexión que se puede lograr con Bluetooth esta limitada a pocos metros de distancia (alrededor de 10 metros). Sin embargo soporta diversas aplicaciones de redes las cuales incluyen: sincronización, e-mail, internet, intranet, todo esto haciendo uso de alguna conexión local de una computadora. Los objetivos de Bluetooth se enlistan a continuación [5], [13]:

• Interconexión entre dispositivos bajo el concepto de redes ad hoc.

• Tamaño de coberturas pequeñas.

• Costo de implementación reducido.

• Bajo consumo de energía.

• Seguridad y robustez en entornos de posible interferencia (banda ISM).

Figura 1.7. Funcionamiento de Bluetooth.

Características de Radio:

• Banda: ISM 2.4 GHz (2.402 - 2.480; 79 canales)

• Velocidad: 1Mbps, 720 Kbps.

• Modulación: 2 GFSK 432 kbit/s bidireccional /721 kbit/s asimétrico

• Potencia : 0 dBm (opcional: +20 dBm con control de potencia)

• Cobertura: 10 m – 20 m

• Saltos Rápidos FH: (1600 saltos/seg)

1.6.4 IEEE802.11 vs HiperLAN

CAPÍTULO 2. Marco de Referencia

2.1 Análisis de Propagación en Interiores

Para analizar y predecir la propagación de ondas electromagnéticas en interiores, se deben de describir los mecanismos de propagación para reforzar la comprensión de fenómenos de propagación en ambientes confinados involucrados. Se deben de considerar todos los fenómenos de propagación existentes e identificar el más importante para ser investigado, con el objeto de mejorar el modelado del canal de comunicación y de la predicción de cobertura [14]. Los fenómenos de propagación dependen del ambiente, y para el caso de propagación en interiores, depende de las características de materiales de construcción, del tipo de mobiliario, tamaño de las habitaciones, características de los pisos adyacentes, la geometría de construcción, entre otras. Sin embargo, se pueden identificar dos aproximaciones para tratar con estas dificultades [15]:

1) Investigaciones experimentales, que son más cercanas a la realidad, pero a expensas de un control débil del ambiente.

2) Investigaciones teóricas, que sólo consideran al modelo simplificado de la realidad, pero dan un control excelente del ambiente.

2.1.1 Investigación Experimental

Si la investigación se basa en mediciones, los mecanismos de propagación pueden identificarse, esto si los experimentos se diseñan pensando en un área cuidadosamente o si una numerosa cantidad de mediciones son analizadas. Las mayores desventajas de éste tipo de investigación son la dificultad en el diseño de los experimentos y la interpretación de los resultados, que normalmente se componen por una mezcla de diferentes fenómenos de propagación [15].

2.1.2 Investigación Teórica

caso particular que es simulado o investigado. Las investigaciones teóricas pueden categorizar en dos aproximaciones [15]:

• Simulación de propagación de onda.

• Teoría de rayo.

Simulación de la propagación de onda: Considerando las ecuaciones de Maxwell o la ecuación de onda y algunas condiciones de frontera, los mecanismos de propagación de ondas electromagnéticas, se puede investigar desde un punto de vista teórico puro y hacer cálculos basados en las formulaciones conocidas como onda total. Esta aproximación es conceptualmente similar a realizar mediciones reales, pues las mediciones simuladas tienen la ventaja de proporcionar mucho mejor el control sobre los ambientes de propagación, sin embargo estos resultados requieren una análisis extenso.

Teoría de rayo [16], [17], [18]: Se obtienen algunos resultados resolviendo los problemas de propagación de onda al asumir una longitud de onda pequeña, es así que la aproximación de ésta teoría está dirigida para analizar la propagación de la onda de radio como rayos similares a los rayos de luz. Bajo esta suposición, la onda de radio actúa recíprocamente con el ambiente de propagación, es decir, con la atmósfera, las características de edificios, paredes, etc., a través de la absorción, reflexión, difracción y dispersión. La aproximación de la teoría de rayo distingue claramente varios fenómenos de propagación y da a cada uno de ellos una descripción física y matemática.

2.1.3 Mecanismos de Propagación de la Teoría de Rayo

En comunicaciones móviles personales, el canal de radio puede ser descrito como una propagación multitrayectoria, donde la estación puede estar fija o en movimiento. La señal que llega al receptor, corresponde a la suma de muchas señales que llegan en diferentes direcciones, pero con diferente magnitud y fase. Además de la propagación en línea de vista entre el transmisor y el receptor, la propagación de ondas se describe generalmente con tres mecanismos: estos son la difracción, reflexión y dispersión. La intersección de estas señales pueden causar que la señal total recibida tenga interferencia constructiva o destructiva.

irregularidades es del orden de la longitud de onda de la señal. En la figura 2.1 se muestran éstos tres mecanismos de propagación [18], [19].

Figura 2.1. Mecanismos de Propagación

La pérdida por trayectoria entre un transmisor y el receptor depende de éstos tres mecanismos de propagación y de las características del medio.

2.2 Modelos de Propagación en Interiores

Predecir las características de propagación entre dos antenas dentro de un edificio es muy importante, especialmente para el diseño de comunicaciones inalámbricas y redes LAN inalámbricas. También el diseño de sistemas celulares con estaciones base en interiores de edificios envuelve el uso de modelos de propagación en interiores [20].

La motivación que se tiene para emplear un modelo de propagación para interiores puede ser de variada índole. En el ambiente de las empresas, tiene por objetivo predecir una cobertura de servicio inalámbrico, en el mundo académico y de la investigación, el desarrollar herramientas que ayuden en la toma de decisiones para cubrir un área de servicio con la menor inversión posible.

La propagación en interiores difiere considerablemente con la propagación en exteriores. En ambientes confinados la distancia entre el transmisor y el receptor es menor, la atenuación causada por las paredes y el mobiliario es mayor, esto se debe a que normalmente la potencia para transmisiones en interiores es mucho menor [14]. La distancia corta entre el transmisor y el receptor implica un retardo pequeño de los ecos. Los modelos de propagación están divididos en cuatro grupos [20]: Modelos empíricos de banda angosta, Modelos empíricos de banda ancha, Modelos con variaciones de tiempo y modelos determinísticos. Los modelos empíricos de banda angosta son expresados mediante ecuaciones matemáticas simples, las cuales dan la pérdida por trayectoria (path loss) como salida. Los modelos empíricos de banda ancha se expresan en forma de tabla, la cual enlista los valores promedios de retardos y el

Transmisor

Receptor Reflexión

Refracción Dispersión

perfil típico de potencia. Los modelos con variaciones de tiempo se usan, por ejemplo, para estimar el efecto Doppler de la señal recibida. En tanto que los modelos determinísticos son métodos de cálculo, los cuales simulan la propagación de ondas de radio. Estos modelos dan información acerca del canal de banda ancha o angosta. Además de que todos los modelos de propagación están basados en mediciones prácticas.

2.2.1 Modelos de Propagación Empíricos

Éstos modelos deben tener en cuenta la existencia de los trayectoria con línea de vista (LOS- Line of Sight) y lo que no tienen línea de vista (NLOS- Non Line of Sight). Generalmente en interiores, el trayecto es sin línea de vista, estando bloqueado el rayo directo por paredes, pisos, mobiliario, u otros objetos. Debido a la complejidad de un modelo clásico en términos de rayos, prácticamente todos los modelos de propagación en interiores son obtenidos a partir de mediciones experimentales. Hay tres tipos de modelos empíricos para interiores que han sido investigados en el grupo de trabajo COST 231[20], pero no han sido los únicos. A continuación se enlistan los modelos de propagación para interiores que se han investigado. Los primeros tres modelos han sido desarrollados por el grupo de trabajo COST 231.

1. Modelo de una pendiente (1SM.- one- Slope Model). 2. Modelo Multi- paredes (MWM.- Multi- Wall Model).

3. Modelo de Atenuación Lineal (LAM.- Linear Attenuation Model). 4. Modelo de Espacio Libre Modificado (MF.- Modify Free Space). 5. Modelo Motley- Keenan (MK.- Motley- Keenan).

Los entornos propuestos donde se utilizan estos modelos son los siguientes [15], [19], [20]:

a) Casas residenciales en zonas suburbanas y urbanas.

b) Edificios de oficinas y aulas en zonas suburbanas y urbanas. c) Edificios industriales con maquinaria.

d) Otros edificios industriales y centros de exposiciones.

e) Entornos abiertos, como estaciones de ferrocarril y aeropuertos. f) Zonas subterráneas, metro, túneles, etc.

2.2.1.1 Modelo de una Pendiente

El modelo 1SM asume una dependencia lineal entre la pérdida por trayectoria (dB) y la distancia logarítmica, como lo indica la ecuación (2.1). Este modelo se basa en la determinación de una línea de ajuste (normalmente por regresión lineal o mínimos cuadrados), y sólo se tiene en cuenta la frecuencia y la distancia [16], [17], [18], [19], [20]:

) log( 10

0 n d

L

L= + ⋅ (2.1)

Donde:

0

L = La pérdida por trayectoria a un metro de distancia. n= Índice de decaimiento de potencia.

d= Distancia entre el transmisor y el receptor en metros.

Los parámetros L0 (dB) y n, dependen de la frecuencia y del entorno de

propagación. Se ajustan a fin de minimizar el valor cuadrático medio de la diferencia entre las predicciones del modelo y los resultados de las mediciones. Una vez obtenido empíricamente para un entorno dado, puede aplicarse a otros de manera similar [16].

En general, este modelo es muy fácil de usar, debido a que solo la distancia entre el transmisor y el receptor aparece como parámetro.

2.2.1.2 Modelo Multi- Paredes

El modelo MWM da la pérdida por trayectoria, como la pérdida del espacio libre, más las pérdidas introducidas por la penetración en las paredes y pisos en la trayectoria directa entre el transmisor y el receptor. Esta última característica se toma en cuenta introduciendo un factor empírico b [21]. En la figura 2.2 se muestran lo parámetros relacionados en este modelo para la penetración en paredes. Los puntos negros indican las paredes por las que pasa la trayectoria (el tipo de paredes puede ser diferente), las pérdidas por cada tipo de pared será determinada por las características de la misma, d indica la distancia entre el transmisor y el receptor. El modelo MWM se expresa de la siguiente forma [16], [17], [19], [20]:

[

]

b k k

f I

i

wi wi c

FS L k L k L

L

L f

f

⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡

− + +

=

+ +

+

=

∑

2

1

FS

L = Pérdidas en el espacio libre entre el transmisor y receptor.

c

L = Constante de pérdida.

wi

k = Número de paredes penetradas de tipo i.

f

k = Número de pisos penetrados.

wi

L = Pérdidas por penetración en paredes de tipo i.

f

L = Pérdidas entre pisos adyacentes. I = Número de tipo de paredes. b = Parámetro empírico.

La constante de pérdida es un término el cual resulta cuando las pérdidas por paredes son determinadas mediante mediciones y normalmente esta constante es muy cercana a cero. El tercer término expresa las pérdidas totales por las paredes como una suma de las paredes entre el transmisor y el receptor. Por razones prácticas, se recomienda que el número de tipos de paredes sea bajo [20]. La diferencia entre los tipos de paredes es pequeña y el significado en el modelo no es muy afectado.

Figura 2.2. Parámetros para el modelo Multiparedes

2.2.1.3 Modelo de Atenuación Lineal

El modelo LAM asume que la pérdida por trayectoria (dB) es linealmente dependiente con la distancia (metros), donde α (dB/m) es el coeficiente de atenuación [20]:

d L

L= FS +α (2.3)

En muchos estudios las pérdidas por penetración en paredes se suman en este modelo, aunque no es muy utilizado, ya que la pérdida por trayectoria es normalmente logarítmica.

Transmisor

Receptor 1

2

3 d LT1 LT2

2.2.1.4 Modelo de Espacio Libre Modificado (MF)

Este modelo analiza el edificio respecto a la distancia entre el transmisor y el receptor, la penetración en paredes, pero no considera la posición individual de las paredes y sus características de materiales. De ésta manera, el modelo da una pérdida por trayectoria parecida al del espacio libre y se le adapta un exponente de pérdida por penetración en paredes (lC). En la figura 2.3 se muestra el principio

para este modelo. Como se observa, no se toma en consideración la pérdida para cada pared, sólo se tiene como parámetro la distancia. Entonces, el modelo asume que el exceso de pérdida por trayectoria es linealmente dependiente con la distancia y un coeficiente de atenuación (n), como se indica en la ecuación (2.4) [16].

Figura 2.3. Parámetros para el modelo de Espacio Libre Modificado (MF)

C

MF l

d n

L = ⋅ +

λ π

4 log

20 (2.4)

2.2.1.5 Modelo Motley- Keenan (MK)

El modelo de Motley- Keenan da la pérdida por trayectoria basado en el rayo directo entre el transmisor y el receptor. Este modelo toma en consideración las pérdidas por penetración en paredes y pisos. En la figura 2.4 se muestra el principio del modelo. Como se observa, se toman en cuenta las pérdidas por cada pared atravesada, pero a diferencia con el modelo multi- paredes, solo se toma en cuenta para un solo tipo de pared. A continuación se muestra este modelo [22].

W w C FS

MK L L k L

L = + + (2.5)

FS

L = Constante de Perdida en el espacio libre.

C

L = Constante de pérdida.

w

k = Número de paredes atravesadas. Transmisor

W

L = Pérdida por penetración en la pared.

Figura 2.4. Parámetros para el modelo Motley- Keenan

2.2.2. Dependencia de la Distancia y la Pérdida por Trayectoria

Los modelos de propagación empíricos mostrados previamente indican que la pérdida por trayectoria incrementa exponencialmente con la distancia, esto es:

( )

d d d

L _⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∝

0

(2.6)

En donde L(d) es la pérdida por trayectoria y n es el subíndice de decaimiento de potencia el cual indica que tan rápido aumenta la pérdida por trayectoria con la distancia, d0 es la distancia de referencia, y d es la distancia de separación entre el transmisor y el receptor. Cuando se grafica esta función en una escala logarítmica, la relación entre la distancia y la pérdida por trayectoria es una línea recta y el subíndice de decaimiento de potencia n, corresponde a la pendiente de la recta dividida entre 10. Normalmente la pérdida por trayectoria expresada en decibeles está definida por la distancia de referencia, más la pérdida por trayectoria entre el transmisor y el receptor, la cuál está descrita por la ecuación (2.7)

( )

⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅ ⋅ + =

0 10 0 [ ] 10 log ]

[

d d n

dB d L d

L (2.7)

La distancia de referencia utilizada es a la cual todavía se cumple el modelo del espacio libre, sin embargo en los ambientes cerrados el efecto multitrayectoria es muy fuerte y el modelo en espacio libre es válido solo a cortas distancias, es por eso que se utiliza 1m de distancia de referencia, en este caso la ecuación (2.7) es idéntica al modelo de una pendiente mostrado en la sección 2.2.1.1.

Transmisor

Receptor 1

2

2.2.3. Parámetros para Evaluación de Enlace

La evaluación del enlace es esencial para el diseño y evaluación de cobertura y análisis de interferencia. Básicamente consiste en estimar la potencia en el receptor, como se indica en la ecuación 2.8.

( )

n r

t t r

d d d G G P

P _⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ =

0 2

2

4π

λ

(2.8)

Donde Pt y Pr corresponden a la potencia transmitida y potencia recibida

respectivamente. Gt y Gr representan la ganancia en el transmisor y en el receptor respectivamente (incluye la ganancia de las antenas mas factores adicionales como la pérdida en el cable). Debido a las múltiples reflexiones en las paredes no se cumple exactamente la ecuación de Friis. En cambio, a menudo se trata de obtener el coeficiente n de la ecuación (2.8). En la ecuación, d0 es una distancia de referencia donde aún se cumple la ecuación de Friis en el ambiente de la medición. La distancia d es la distancia entre el transmisor y el receptor y el exponente n es el que se desea determinar. Para obtenerlo se grafican los puntos medios sobre un gráfico log-normal, considerando la ecuación (2.8). El exponente

n se determina como la pendiente de la recta que mejor se aproxima a la nube de todos los puntos de acuerdo al criterio de error cuadrático mínimo. El hecho de considerar una distancia d0 de referencia tiene una ventaja adicional, hace que el conjunto de mediciones sea independiente de la característica de las antenas [23].

De tal manera que para determinar la potencia de recepción se consideran los siguientes parámetros:

[dBm] t[dBm] r[ ]dBi t[ ]dBi p[dBm]

r P G G L

P = + + + (2.9)

2.3 Consideraciones de Diseño de una Red LAN Inalámbrica

El desarrollo de una red LAN inalámbrica es mas complicada que el desarrollo de una red alambrada debido a que envuelve un enlace de naturaleza de RF. Cada edificación tiene diferentes características que propician inesperadas interferencias. Sin embargo desarrollar una red inalámbrica para un solo edificio o casera puede ser muy sencilla, pero desarrollarla para un lugar más amplio que contenga varias edificaciones no es nada fácil. A continuación se enlistan 6 consideraciones en el diseño de una red LAN inalámbrica [23], [24]:

usuario una capacidad razonable para llegar al ancho de banda necesario para las necesidades del cliente. Ubicaciones con alta densidad de usuarios, o usuarios con comunicaciones intensas o aplicaciones interactivas requieren mayor capacidad que otras ubicaciones con densidad de usuarios menores. Utilizar una densidad de celdas pequeñas es una opción para dar mayor capacidad en ubicaciones deseadas.

b) Configuración del AP: Diversos parámetros necesitan ser establecidos en el AP para un óptimo desempeño en la red como lo es: canales a utilizar, fragmentación, velocidad RTS (Request to send)/CTS (Clear to Send), tasa de asociación, etc. Debido a la limitación en los canales permitidos en la tecnología inalámbrica IEEE802.11, los canales deben de ser reutilizados a una cierta distancia para evitar interferencia entre celdas.

c) Estudio RF (Radio Frequency) de sitio: El estudio de sitio es uno de los pasos mas cuidadosos en el proceso de desarrollo y es en efecto una parte de los dos pasos anteriores. El propósito de este paso, es asegurar que el plan de desarrollo preliminar efectivamente brinde los requerimientos de cobertura tan bien como la capacidad. Este paso involucra mediciones del desempeño de la red en diferentes ubicaciones y encontrar las características de cobertura y desempeño.

d) Brindar seguridad: Seguridad ha sido una de los mayores retos en el desarrollo de LAN inalámbricas. Muchas grietas de seguridad se han encontrado con el protocolo de seguridad original WEP (Wired Equivalent Privacy). La mayoría de los desarrollos en el pasado ponen a las redes LAN inalámbricas fuera de los firewalls, y forzan a los usuarios a incorporarse a la red usando VPN’s. El nuevo estándar IEEE802.1x da un mecanismo flexible para usar diferentes algoritmos de autenticación para identificar la identidad de los clientes y establecer sesiones dinámicas de llave.

e) Soportar movilidad: Movilidad es la habilidad de mantener una sesión activa en la red cuando el usuario se mueve de una ubicación a otra. La movilidad necesita soportar dos diferentes niveles: Capa de enlace y Capa IP. Las especificaciones de 802.11 soportan la movilidad de la capa de enlace, esto brindando mecanismos para el cliente de detectar AP’s y cambiarse entre AP’s basándose en mediciones de señal. Para la movilidad entre subredes, se necesita usar IP- Móvil. Este protocolo asocia un agente casero con todos los host móviles para actuar como repetidor, así provee un punto de contacto con el resto del mundo.

medio de comunicaciones. El propósito de IEEE802.11e es dar Calidad de Servicio a aplicaciones que lo requieran como lo son aplicaciones de voz sobre IP, videoconferencias y algunas otras que necesitan condiciones de tiempo real. IEEE802.11 lo hace innovando las metodologías de acceso al medio propuestas en IEEE802.11, esto es: Una mejora en la funcion de coordinación distribuida (EDCF- Enhanced Distributed Coordination Function) soportando tiempos diferentes de backoff para diferentes prioridades, y una función de coordinación hibrida (HDF- Hybrid Coordination Function) para soportar acceso al canal centralizado basado sobre el original PCF (Point Coordination Function).

2.3.1. Proceso Típico para el Diseño de una Red LAN Inalámbrica

La implementación de una red LAN inalámbrica, no termina cuando la red se ha instalado físicamente. En el siguiente diagrama (Figura 2.5) se muestra el proceso típico para el desarrollo de una red LAN inalámbrica.

El primer paso que se muestra en la figura 2.5 corresponde a designar las áreas donde se desea cobertura. Por ejemplo, en algunas empresas deciden brindar cobertura solo a áreas comunes como lo es el lobby y el salón de conferencias. Una vez que se ha designado el área que se desea cubrir, el siguiente paso es determinar el ancho de banda deseado para cada área. Esta información se puede ver observando el tráfico cursado por la red alambrada, y depende del escenario, esto es, del tipo de aplicaciones que se estén ejecutando en esa área. Para aplicaciones de mejor esfuerzo (best effort) como lo es correo, consultas en Internet, etc. se puede considerar 25Kbps para cada usuario. Sin embargo para aplicaciones que requieren mayor ancho de banda como lo es la transferencia de voz y altas transferencias de datos se requieren anchos de banda por usuario de hasta 500Kbps.

Tomando en cuenta las consideraciones antes mencionadas, se puede determinar el número de puntos de acceso que se necesitan para proveer la capacidad del sistema deseada [23] mediante la ecuación (2.10).

Velocidad Eficiencia

Actividad N

BW

N_AP

⋅ ⋅ ⋅ =

%

%

(2.10)

donde:

NAP = Número de puntos de acceso.

BW= Ancho de banda por usuario.

% Actividad = Fracción de tiempo en que el usuario está activo en la red.