Soluciones teóricas a los problemas de radiocomunicación para el telecomando de dispositivos electrónicos de redes eléctricas

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(1)Ministerio de Educación Superior Facultad de Ingeniería Eléctrica. ______________________________________________________ Para optar por el título de Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica. “Soluciones teóricas a los problemas de radiocomunicación para el telecomando de dispositivos electrónicos de redes eléctricas” Autor: Jorge Rafael Hernández Solís E-mail: [email protected]. Tutor: MSc. José Omar Padrón Ramos Prof. Asistente, Dpto. Automática y Sistemas Computacionales, Facultad de Ingeniería Eléctrica, UCLV. E-mail: [email protected]. 2011 “Año 53 de la Revolución”.

(2) Ministerio de Educación Superior Facultad de Ingeniería Eléctrica. _______________________________________________________ Para optar por el título de Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica. “Soluciones teóricas a los problemas de radiocomunicación para el telecomando de dispositivos electrónicos de redes eléctricas” AUTOR Jorge Rafael Hernández Solís [email protected] TUTOR MSc. José Omar Padrón Ramos [email protected]. 2011 “Año 53 de la Revolución”.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor. Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) DEDICATORIA. DEDICATORIA. A mis padres.. I.

(5) AGRADECIMIENTOS. AGRADECIMIENTOS A la Revolución y a la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas por haberme dado la oportunidad de estudiar y superarme como profesional. A todos mis profesores por ser parte importante de mi formación. A mi tutor por todo su esfuerzo y su constancia. A mis padres por todo su apoyo y cariño. Por estar siempre en los momentos más difíciles. Por sus desvelos y la confianza de seguir adelante. A mi novia por estar siempre a mi lado, por ser mi mejor ejemplo y mi guía en todo momento. Sin ella no hubiera podido salir adelante. A mis hermanas por su amor y todo su apoyo. A mis sobrinos por su alegría. A mis suegros por su ayuda incondicional. A mi familia y a todos aquellos que se han ido sumando a lo largo de estos años. A mis amigos y compañeros de estudio.. II.

(6) RESUMEN. RESUMEN En la actualidad las transmisiones inalámbricas permiten la transferencia de voz, datos y video, lo que contribuye a que su uso se generalice a múltiples y diversas empresas. La Organización Básica Eléctrica (OBE) de la provincia de Villa Clara, desde hace años planea llevar a la práctica un sistema de supervisión de redes. Para ello utiliza radios TM800 los cuales están diseñados para transmisión de voz, siendo necesario una actualización del firmware del equipo que permita la transmisión digital de datos. La puesta en práctica del sistema presentó dificultades en la comunicación en cuanto a la integridad de los datos debido a la pérdida parcial de los mismos. Con el objetivo de solucionar este problema la presente investigación se centra en el análisis teórico de las posibles causas de fallos mediante el estudio de los componentes del sistema. A partir de los resultados obtenidos se plantea una estrategia de solución aplicable en la experimentación en trabajos futuros inmediatos, trazando un camino para la búsqueda continua de soluciones. De llevarse a cabo la implementación de las soluciones propuestas se logrará una optimización en el funcionamiento del sistema de comunicaciones y se eliminará el uso innecesario de equipamiento.. III.

(7) INTRODUCCIÓN. TABLA DE CONTENIDOS RESUMEN ........................................................................................................................... III TABLA DE CONTENIDOS ................................................................................................IV INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 2 Organización del informe .................................................................................................... 4 CAPÍTULO 1: LA COMUNICACIÓN DE DATOS VÍA RADIO ....................................... 7 1.1. Transmisión de datos vía radio. ............................................................................... 7. 1.1.1. Antecedentes e historia. .................................................................................... 7. 1.1.2. Papel actual de las comunicaciones por radio. ............................................... 10. 1.1.3. Usos fundamentales. ....................................................................................... 11. 1.2. Dispositivos electrónicos para las comunicaciones de datos por radio. ................. 17. 1.2.1 1.3. Protocolos más utilizados para la comunicación de datos. ............................. 17. Componentes fundamentales de los sistemas de comunicación/transmisión de. datos. 24 1.4. Factores que afectan el diseño de un sistema de comunicación de datos. ............. 26. 1.5. Transmisiones de datos por radio en Cuba. ........................................................... 26. 1.5.1. Importancia para la Empresa Eléctrica. .......................................................... 27. 1.6. Herramientas utilizadas en el trabajo. .................................................................... 32. 1.7. Consideraciones parciales del capítulo. ................................................................. 33. CAPÍTULO 2: IDENTIFICACIÓN DE LAS CAUSAS DE FALLO Y PROPUESTAS DE SOLUCIÓN .......................................................................................................................... 35 2.1. Introducción al Capítulo ......................................................................................... 35. 2.2. Esquema de comunicación utilizado para supervisar los NULEC. ........................ 35. 2.3. Características de los radios TM-800 utilizados en la comunicación. ................... 37. 2.4. Identificación teórica de las causas de los fallos en las comunicaciones. .............. 38 IV.

(8) INTRODUCCIÓN 2.5. Limitación de las pruebas físicas. .......................................................................... 39. 2.6. Propuestas de solución. .......................................................................................... 40. 2.7. Situación de los dispositivos en red. ...................................................................... 43. 2.8. Consideraciones finales del capítulo. ..................................................................... 45. CAPÍTULO 3: VALORACIÓN ECONÓMICA Y PRÁCTICA DE LAS SOLUCIONES 47 3.1. Introducción al capítulo.......................................................................................... 47. 3.2. Posibilidades prácticas de aplicación de las soluciones planteadas. ...................... 47. 3.3. Consideraciones sobre la optimización en el uso de los radios. ............................ 47. 3.4. Valoración económica de las soluciones propuestas. ............................................ 49. 3.5. Consideraciones finales del capítulo ...................................................................... 49. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 52 Conclusiones ..................................................................................................................... 52 Recomendaciones .............................................................................................................. 53 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 55 ANEXOS .............................................................................................................................. 57 Anexo 1: Glosario ............................................................................................................. 57. V.

(9) INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN 1.

(10) INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN La telemedición y el telecomando son áreas de las comunicaciones estrechamente ligadas a la producción. La supervisión de los procesos industriales y determinados servicios, ocupa hoy en el mundo moderno un lugar fundamental, y una de sus bases es el constante intercambio de información entre los componentes distribuidos del sistema. Llevar la información desde una planta o un lugar en que se realiza la producción o los servicios, hacia un centro donde se gestiona la producción, es una acción neurálgica para el desempeño de la supervisión, un elemento cuya necesidad es intrínseca. Con el principio de satisfacer esta necesidad en áreas muy distantes, surge lo que se conoce actualmente como telemedida. El telecomando por su parte es un caso similar solo que el término se aplica cuando se quiere ejecutar una orden a distancia, de manera inalámbrica por medio de ondas de radio, o a través de un medio cableado, sobre la base de una medición realizada. La Organización Básica Eléctrica (OBE) de Villa Clara, desde hace años planea llevar a la práctica un sistema de supervisión de redes eléctricas, que supone también parte de control, equiparándose con las más exitosas tecnologías de este tipo en el mundo. Por ello en dichas redes, se encuentran varios dispositivos electrónicos como los desconectivos NULEC, para facilitar la operación. de las mismas. Este equipo digital tiene capacidad para ser. telecomandado y utiliza para la comunicación el protocolo DNP3. En caso de fallo o cortocircuito en la red, el NULEC se desconecta y genera una serie de datos de diagnóstico e identificación de la falla. Es interés del Despacho de Carga Eléctrica, conocer esos datos y a la vez volver a conectar remotamente el NULEC una vez que haya pasado la situación que provocó la desconexión. Para lograr este objetivo, es imprescindible llevar la información desde las redes eléctricas de la provincia hasta un centro de comando en la cabecera provincial, lo cual se puede lograr a través de diferentes medios siendo el más idóneo la comunicación inalámbrica. La entidad adquirió hace poco tiempo, radiocomunicadores HYT TM-800, comúnmente usados en el mundo para la transmisión de voz, en este caso cuentan con un firmware. 2.

(11) INTRODUCCIÓN actualizado que permite la transmisión de datos, elemento que propicia la utilización de estos radios en el telecomando de los dispositivos desconectivos NULEC. En esta coyuntura nacen algunos problemas técnicos. El primero de ellos se encuentra al establecer la comunicación remota vía radio desde el despacho provincial con cada NULEC instalado, pues se presenta como dificultad que los datos se pierden ocasionalmente durante la transmisión. Otro de los problemas es que se necesita utilizar un radio por cada NULEC, en áreas donde existen hasta tres NULEC juntos. Dada estas situaciones se define el problema científico a través de las siguientes interrogantes: ¿Cómo mejorar el rendimiento de las comunicaciones inalámbricas en el sistema de supervisión de redes de la Empresa Eléctrica? Y además ¿cómo optimizar el empleo de los radiocomunicadores en áreas donde existan varios NULEC? Se establece como objeto de estudio de la presente investigación las redes inalámbricas de transmisión de datos de la OBE provincial. Para dar respuesta al problema científico antes descrito se establecen los siguientes objetivos: Objetivo General: . Diagnosticar teóricamente las posibles causas de fallo en la comunicación vía radio entre el Despacho de Carga Eléctrica y los dispositivos NULEC, y proponer soluciones tangibles, haciendo lo mismo para la optimización en el empleo de los radiocomunicadores.. Objetivos específicos: . Realizar una revisión bibliográfica sobre las radiocomunicaciones empleadas en los sistemas de telecomando y telemedición.. . Analizar las características técnicas de los radios TM-800.. . Identificar teóricamente las causas de la pérdida de datos en las comunicaciones.. 3.

(12) INTRODUCCIÓN . Evaluar soluciones que permitan subsanar las diferencias que impiden la comunicación entre el centro de control y los dispositivos de medición y desconexión.. . Proponer un esquema óptimo para el uso de los radios en lugares donde exista más de un dispositivo de medición o desconectivo.. Si se realizara con éxito la conexión anteriormente expuesta y se diagnosticaran las posibles fallas de manera que la posibilidad de error fuera mínima, se podría llevar a vías de hecho el sistema de supervisión provincial de energía eléctrica diseñado entre la OBE y la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Además de poder conocer en tiempo real y con total fiabilidad la cantidad de energía consumida por la provincia, parámetro fundamental exigido hoy por la Unión Nacional Eléctrica (UNE). Organización del informe El presente informe está estructurado en tres capítulos. El primer capítulo trata la comunicación de datos vía radio. En él se describe cómo ha evolucionado en la historia, desde los primeros descubrimientos, a través de los avances que se han ido sucediendo. Además se hace un análisis del lugar que ocupa hoy la transmisión inalámbrica así como las principales esferas en que tiene aplicación. Por último se hace referencia a la situación en que se encuentra su utilización en Cuba y particularmente cómo influyen en la Empresa Eléctrica. En el segundo capítulo se estudia el sistema utilizado por la Empresa Eléctrica de Villa Clara para la comunicación con los desconectivos NULEC integrados a su red de distribución de energía a través de los radiocomunicadores HYT TM-800. Las características técnicas de estos últimos, son revisadas para llegar a identificar de forma teórica las causas por las cuales ocurren las fallas, para establecer propuestas de solución a las mismas y recomendar una mejor utilización de los dispositivos. En el tercer capítulo se procede a evaluar las soluciones y recomendaciones que se proponen en el capítulo anterior para establecer las posibilidades para su aplicación práctica. Además se realiza una valoración de los costos de los diferentes componentes 4.

(13) INTRODUCCIÓN utilizados, determinando la factibilidad económica y las posibilidades de ahorro de recursos.. 5.

(14) CAPITULO 1. CAPÍTULO 1. 6.

(15) CAPITULO 1. CAPÍTULO 1: LA COMUNICACIÓN DE DATOS VÍA RADIO 1.1 Transmisión de datos vía radio. Las comunicaciones inalámbricas hacen uso de las ondas electromagnéticas para enviar señales a través de largas distancias. Esta transferencia de información, lograda a través de la emisión de ondas de radio, permite tener como grandes ventajas la movilidad y la flexibilidad del sistema en general, además de la reducción de los costos de implementar una infraestructura cableada. 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. 1.1.1 Antecedentes e historia. El surgimiento de los estudios acerca del uso del espacio radioeléctrico como medio de comunicación respondió a una sucesión de descubrimientos que comenzaron a finales del siglo XIX, y que tienen su origen en la aparición de los estudios de James Clerk Maxwell, en 1867. El escocés presentó su teoría electromagnética en la Real Sociedad de Londres, la cual, obtenida mediante el cálculo matemático puro, predecía la posibilidad de crear ondas electromagnéticas y su propagación en el espacio (Anda Gutiérrez 2004). Fue el físico alemán Heinrich Hertz quien confirmó la teoría de Maxwell, radiando y estudiando las ondas electromagnéticas con un oscilador y un resonador, probando la existencia de lo que, en su honor, serían también conocidas como ondas hertzianas (Martínez Lorente 2000). Debido a que las ondas captadas por el resonador usado por Hertz, solo podían ser recibidas a una corta distancia, en 1890 el francés Edouard Branly llega a la construcción del primer “cohesor”, un aparato que aprovechando las características de conductividad que adquirían las limaduras de hierro encerradas en un tubo de vidrio, permitió la detección de las ondas a distancias mucho más considerables. Su invento fue utilizado en lo adelante por los demás investigadores (Martínez Lorente 2000). 7.

(16) CAPITULO 1 En sus experimentos para revelar la marcha de tormentas eléctricas, el ruso Alexander Popov introdujo una significativa mejora, ideó el mejor sistema para enviar y captar ondas: la antena. En este caso, estuvo compuesta por un hilo metálico extendido verticalmente (Martínez Lorente 2000). El hombre capaz de unir todos estos descubrimientos y construir un sistema de radiocomunicación fue el italiano Guglielmo Marconi. Valiéndose del oscilador de Hertz, la antena de Popov y el cohesor de Branly, y además haciendo uso del alfabeto Morse, logró establecer comunicados prácticos a distancias hasta 2400 metros. Luego fue aumentando el alcance de sus transmisiones y en 1896 obtuvo la primera patente de telegrafía inalámbrica (Otero Carvajal 1993). En los años subsiguientes el trabajo de los investigadores estuvo encaminado. al. perfeccionamiento de este sistema. El propio Marconi prolongó el alcance de sus enlaces, en 1898 entre la isla Wight y Bournemouth a 23 kilómetros de distancia, en 1899 entre Inglaterra y Francia, y en 1901 entre América y Europa, desde Terranova en Canadá hasta Cornaulles en Gran Bretaña. Pueden contarse entre otros aportes la invención del sistema de sintonía por O. J. Lodge en 1897, además de la utilización por John Ambrosse Flemming en 1904, de la válvula termoiónica para detectar señales de radio y la construcción del triodo en 1908 por Lee De Forest, que ya no solo permitió mejorar los sistemas de detección, sino que proporcionó la posibilidad de amplificar las señales eléctricas utilizadas y generar ondas en lugar de impulsos, abriendo así el camino a la transmisión de voz y señales de audio en general (Otero Carvajal 1993). La primera radiodifusión, que consiguió transmitir la voz humana y música, fue efectuada por Reginald Aubrey Fessenden en 1906; en ese mismo año se obtuvo la primera emisión de radio en los Estados Unidos y con la introducción masiva de las válvulas se mejoró notablemente la calidad y potencia de recepción y, poco a poco, los simples radios de galena, pasaron al olvido (Timofeev 2006). Con las emisiones de “Onda Corta”, por primera vez, se lograron unir continentes, lo que supuso un gran avance, al permitir traspasar las fronteras de los países sin censuras. Cuando se introdujo el transistor en la década de los cincuenta, se logró hacer de la radio un 8.

(17) CAPITULO 1 instrumento de consumo personal ya que se volvió más pequeña y portátil. Ahora, con la microelectrónica, son diminutas. Tiempo después, se desplaza la amplitud modulada (AM) por la frecuencia modulada (FM), aumentando la calidad de la recepción y aunque la AM no desaparece, la FM es una peligrosa competidora. Actualmente se cuenta con sistemas más sofisticados, como la radio digital terrestre o DAB, que proporcionan mucha mayor calidad y fiabilidad y aumentan el número de programas u oferta radiofónica utilizando los mismos recursos (Otero Carvajal 1993). El primer sistema público de radio PLMN (Public Land Mobile Network), es decir, que cualquier persona con suficiente dinero podía contratar, empezó a funcionar en la ciudad de San Luis, Missouri (EEUU), donde en 1945 se colocó la primera antena. Estos sistemas utilizaban una única antena de alta potencia, en FM, que proporcionaba una gran cobertura. La capacidad de usuarios no era muy elevada (un sistema de 6 canales podía manejar unos 200 abonados), pero, aún así, tras el desarrollo de la radio y la telefonía fija, y los avances que en este campo se realizaron en la II Guerra Mundial, compañías como General Electric, RCA, Motorola y AT&T comenzaron a comercializar diversos sistemas portátiles de comunicación y en poco tiempo el servicio de telefonía móvil se extendió (Castells 2006). En 1970, los Laboratorios Bell empezaron a trabajar en el sistema AMPS (American Mobile Phone System) y en Europa fueron los PTT (Post, Telegraph & Telephone) de cada país los que establecieron el servicio, inicialmente analógico y sin posibilidad de interconexión entre distintos países, adoptándose un sistema y una banda de frecuencias distinta (450 y 900 MHz). Uno de los sistemas más importantes fue el NMT (Nordic Mobile Telephone), que en 1982 entró en servicio en los cuatro países nórdicos y en España. El European Telecommunications Standards Institute (ETSI) estableció en ese año el Groupe Special Mobile (GSM), para impulsar el desarrollo de una futura red celular de ámbito Europeo. Hacia 1992 empieza a funcionar la tecnología GSM, como fruto de su trabajo. En el año 2001 la compañía DoCoMo lanza comercialmente en Europa la telefonía UMTS o de tercera generación (Castells 2006). Arthur C. Clarke, propuso en 1945 la utilización de los satélites geoestacionarios para los sistemas de comunicaciones de cobertura mundial. Un satélite en órbita circular ecuatorial de radio 42242 kilómetros, vería siempre la misma zona. Un satélite cubriría casi un 9.

(18) CAPITULO 1 hemisferio y con tres satélites espaciados 120 grados se tendría una cobertura mundial. No fue hasta 1960 que la NASA puso en órbita el primer satélite de comunicaciones, "Echo I A", que era una gran esfera metálica de 30 metros de diámetro localizada a una altitud de 1600 kilómetros que reflejaba las señales radioeléctricas que recibía. "TELSTAR I" fue puesto en órbita en 1962 por 10 días y permitió la primera transmisión de imágenes de televisión entre USA y Francia. El primer satélite comercial en órbita geoestacionaria fue el INTELSAT I, también llamado Early Bird. Fue lanzado en 1965 y estuvo en operación hasta 1969. Tenía dos transpondedores de 25 MHz de ancho de banda. Con él se inicia la actual época de telecomunicación espacial (Roddy 2001). En los últimos años, los estudios en campo de la comunicación inalámbrica han alcanzado un vertiginoso auge. Constantemente surgen nuevas alternativas para su uso, las tecnologías son mejoradas, nuevos estándares sustituyen a los anteriores y van apareciendo diferentes aplicaciones para su uso. 1.1.2 Papel actual de las comunicaciones por radio. La tecnología inalámbrica está influyendo cada vez más la vida de las personas. Las empresas modernas cuentan con más personal móvil, que ya no está encadenado a la mesa durante ocho o más horas diarias. Cuando ya se ha experimentado y se ha hecho costumbre el uso del ordenador personal, una poderosa herramienta para optimizar el trabajo y aumentar la productividad y la calidad de los servicios de comunicaciones en la oficina o en casa, el siguiente paso es esperar y demandar capacidades similares cuando se está en movimiento. El uso de Internet como un potente medio de información y comunicación ha originado una gran demanda de acceso 24 horas al día, 7 días a la semana, sin importar la ubicación. Ahora, la comunicación inalámbrica ha dado un paso más, proporcionando conexiones de datos entre dispositivos informáticos y redes, y además entre diversos dispositivos. Es preciso disponer de acceso flexible a una red en cualquier situación posible. El reto que tienen por delante las nuevas tecnologías que se encuentran en desarrollo, es precisamente lograr la convergencia, que se establezcan estándares que aseguren a los 10.

(19) CAPITULO 1 usuarios finales la compatibilidad y/o el funcionamiento conjunto de sus distintos productos y además garantizar el acceso de banda ancha desde cualquier ubicación a través de la amplia gama de equipos móviles que ya están disponibles. Hacia estos objetivos se mueve la cuarta generación de comunicaciones móviles o 4G. Dentro de las especificaciones de esta última el World Wireless Research Forum (WWRF) asegura que 4G deberá ejecutarse sobre infraestructura IP, interoperar con WiFi y WiMax y soportar velocidades más altas de 100 Mbps, hasta 1 Gbps. 1.1.3 Usos fundamentales. Las comunicaciones inalámbricas son herramientas muy versátiles que permiten ofrecer diferentes aplicaciones, tales como las comunicaciones punto a punto, punto a multipunto, radioaficionados, servicios públicos como radiodifusión sonora o televisiva, buscapersonas, radio troncalizado (trunking), telefonía móvil, telefonía fija inalámbrica, los servicios por vía satélite, entre otros. Asimismo, dependiendo del terminal que se use en dichos servicios o aplicaciones, se pueden distinguir modalidades de comunicaciones inalámbricas fijas y comunicaciones inalámbricas móviles. Algunas de las principales se describen a continuación. Internet inalámbrico Internet utiliza los protocolos de comunicaciones TCP/IP (Transmision Control Protocol/Internet Protocol), los cuales se caracterizan por su capacidad para adaptarse a diversas tecnologías y medios de transmisión, ya sean estos alámbricos o inalámbricos. Gracias a esta cualidad, el TCP/IP puede ser “reconocido” por distintas redes, sin que la tecnología de base utilizada por ellas sea de mayor importancia. En el entorno de las redes inalámbricas, existen dos mecanismos para brindar el acceso a internet: fijo y móvil. Las redes inalámbricas fijas ofrecen a los usuarios residenciales o corporativos la conexión de sus computadoras (o redes de computadoras) en locaciones fijas o de margen de movilidad muy bajo. En este caso, los usuarios instalan antenas de orientación fija en dirección a las antenas del operador del servicio de acceso a internet inalámbrico. Por lo general, para el acceso 11.

(20) CAPITULO 1 inalámbrico fijo a internet, se usan las frecuencias altas del espectro radioeléctrico. La porción de espectro más utilizada es la correspondiente a las microondas. Así, tenemos aplicaciones en el rango de 3.400 a 3.600 MHz, así como en el rango de los 2,5 GHz, 27 GHz y 38 GHz (con tecnologías como el MMDS digital y LMDS2) (Sanchez Ortiz 2003). Por su parte, las redes digitales actuales de telefonía móvil (más conocidas como “de segunda generación”) permiten el acceso a internet, conectando un teléfono móvil a una computadora portátil o algún dispositivo organizador personal (PDA, por ejemplo, de marca Palm, IBM o Compaq, etc.). Este acceso es parecido al conseguido a través del teléfono fijo alámbrico, pero con una velocidad ligeramente menor. Actualmente se encuentran disponibles en el mercado las tecnologías WAP (Wireless Aplication Protocol), que equipan al terminal móvil con funciones necesarias para mostrar páginas web especiales, recibir y enviar correos electrónicos, jugar “en línea” e incluso realizar transacciones seguras de comercio electrónico (Sanchez Ortiz 2003). El desarrollo de las telecomunicaciones móviles ha generado lo que se denomina la “generación 2,5”, caracterizada por las mejoras en los protocolos de transmisión de datos. Estos progresos en la transmisión por redes de telefonía móvil, mediante tecnologías GPRS e IS-95B, entre otros, facilitan el envío de la información a velocidades desde 43 kbps hasta 115 kbps (Sanchez Ortiz 2003). Por último, los servicios móviles de tercera generación, como es el caso de: UMTS (Universal Mobile Telecommunication Service), IMT-2000 (International Mobile Communications), CDMA-2000 (Code Division Multiple Access), entre otros, responden a la necesidad de “banda ancha” en la transmisión de datos en general, y al uso de aplicaciones multimedia e internet a altas velocidades. A través de estas tecnologías, el usuario debe estar en capacidad de transmitir y recibir información a velocidades como 384 kbps e incluso 2 Mbps (Sanchez Ortiz 2003). Telefonía móvil terrestre La 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 12.

(21) CAPITULO 1 estación, enviar una llamada a un terminal suyo, etc. Cada estación tiene un área de cobertura, zona dentro de la cual 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 cuál 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 (Castells 2006). Los primeros sistemas de telefonía móvil terrestre o de primera generación: TACS, AMPS, NMT, TMA, NAMT; 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 en EEUU, y NAMT en Japón (Castells 2006). 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 sí 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 (Castells 2006). Los sistemas de segunda generación, GSM, CDMA, TDMA, NADC, PDC, ya son digitales. Incluyen la transmisión de. datos, aunque a velocidades muy pequeñas e. introduce el envío de mensajes SMS. Tienen una compatibilidad entre las distintas redes nacionales. GSM se implanta en Europa y en otros países del resto del mundo, TDMA y CDMA en EEUU, mientras que PDC en Japón (Castells 2006).. 13.

(22) CAPITULO 1 El estándar GSM describe una red digital de conmutación de circuitos, optimizada para telefonía de voz full dúplex y además incluye transporte de datos. Cada frecuencia puede transmitir varias conversaciones. Esto se consigue mediante la multiplexación por división en el tiempo. El tiempo de transmisión se divide en pequeños intervalos. 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 (Castells 2006). En los sistemas CDMA, lo que se hace es que cada llamada utiliza un código que la diferencie 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. Como puente entre la segunda generación y la telefonía móvil de tercera generación está lo que se ha denominado generación 2,5 (HSCSD, GPRS, EDGE). Algunos de estos sistemas introducen la conmutación de paquetes en la telefonía móvil, es decir, la comunicación se produce al "estilo" Internet. La información se divide en trozos o paquetes, que siguen caminos diferentes hasta alcanzar el destino. GPRS alcanza los 115 Kbps, mientras que EDGE los 384 Kbps (Castells 2006). La tercera generación responde a un intento de estandarizar las comunicaciones móviles a nivel mundial. Permite la transmisión de todo tipo de comunicaciones: voz, datos, imágenes, vídeo, radio. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) es una de las tecnologías usadas por los móviles de este tipo. Empleando una comunicación terrestre basada en una interfaz WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) es capaz de soportar tasas de transferencia teóricas máximas en sentido descendente (de la Red hacia el usuario) de 2 Mbps, aunque la velocidad final depende de las características concretas de la red, del operador que la controle, así como del número de usuarios simultáneos que requieran acceso a datos (Castells 2006). Telefonía móvil vía satélite 14.

(23) CAPITULO 1 En 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. Estos sistemas requieren que la antena del teléfono tenga un acceso claro a los cielos para garantizar el éxito de la operación, la mayoría de las veces, los usuarios deben estar al aire libre.(Iridium 2011) Los usuarios pueden realizar llamadas utilizando los códigos de país y de zona, más el número al que desea conectarse. La llamada se transmite directamente a la red vía satélite y finalmente se produce el enrutamiento a la red de proveedores terrestre ya sea fija o móvil, para la terminación de llamadas.(Iridium 2011) Dependiendo de la arquitectura de la red satelital pueden contar con coberturas globales como Inmarsat, Iridium y Globalstar o coberturas regionales como Thuraya y Terrestar. El sistema Iridium está compuesto por una constelación de satélites de órbita baja. Lo comprenden tres componentes: la red satélite, la red terrestre y los productos abonados. Utiliza tanto FDMA como TDMA (Iridium 2011). Los teléfonos de Globalstar 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. Las llamadas o datos son llevados sobre una señal satelital con Acceso Múltiple de División de Código (CDMA) (Globalstar 2011). Redes móviles privadas También 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, un pueblo, etc.). 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 encarga de asignar las frecuencias libres entre los diferentes grupos, por lo que no hay una correspondencia grupo-frecuencia (Sanchez Ortiz 2003).. 15.

(24) CAPITULO 1 Entre los primeros sistemas podemos destacar EDACS, controlado por un equipo fabricado por Ericsson, muy utilizado por bomberos, equipos de salvamento, policías, ambulancias, etc. 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 (Sanchez Ortiz 2003). 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 (Sanchez Ortiz 2003). Radiomensajería Este servicio, también denominado radiobúsqueda, buscapersonas o paging, permite la localización y el envío de mensajes a un determinado usuario que disponga del terminal adecuado, conocido popularmente como "busca" o "beeper". Se trata de una comunicación unidireccional, desde el que quiere localizar al que ha de ser localizado. Al igual que en la telefonía móvil, cada zona está cubierta por una estación terrestre, que da servicio a los usuarios ubicados dentro de su zona de cobertura (Sanchez Ortiz 2003). Los primeros sistemas tan sólo emitían un sonido o pitido, que indicaba que alguien estaba intentando decirnos algo. Luego, si así lo decidía el portador del “busca”, establecía una comunicación telefónica. Es muy útil para profesionales, que han de desplazarse y no siempre están localizables, por ejemplo, médicos, técnicos de mantenimiento, etc. En una segunda fase, aparecieron sistemas más perfeccionados, con envío de mensajes, aplicación de códigos para mantener seguridad, llamadas a grupos, etc. (Sanchez Ortiz 2003).. 16.

(25) CAPITULO 1 1.2 Dispositivos electrónicos para las comunicaciones de datos por radio. En el mundo actual la variedad de aplicaciones que tiene la transmisión inalámbrica de datos es muy grande. Muchas son las esferas de aplicación de esta tecnología, cada una de ellas con sus características propias, por lo cual demandan diferentes requerimientos específicos para satisfacer sus necesidades. Tanto es así, que son numerosos los dispositivos usados para este tipo de comunicación, muchos de ellos basados en estándares internacionales desarrollados por organizaciones de prestigio a nivel mundial, lo que garantiza la compatibilidad entre los diversos fabricantes, y otros fabricados según protocolos propietarios exclusivos de quienes los producen. 1.2.1 Protocolos más utilizados para la comunicación de datos. Bluetooth Bluetooth es una especificación que define redes de área personal inalámbricas (Wireless Personal Area Network, WPAN). Fue desarrollada por Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group) y en el estándar IEEE 802.15.1 se formalizan también sus niveles más bajos, el nivel físico y el control de acceso al medio. Este tipo de redes tienen por cometido la transferencia de información en distancias cortas entre un grupo privado de dispositivos y con bajo consumo de potencia en la banda ICM de 2,4 GHz. Se definen tres tipos de dispositivos con diferentes rangos de acción: la clase 1 con alcance de 100 metros, la clase 2 con 10 metros y la clase 3 con un metro. La especificación principal define el sistema básico, pero hay multitud de opciones, definidas por los perfiles Bluetooth en especificaciones complementarias (Morrow 2002). El nivel físico emplea espectro disperso de salto de frecuencia (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum) en un conjunto amplio de portadoras, diseñado para evitar interferencias y empobrecimiento (fading) de la señal. La complejidad del hardware se acota utilizando modulación en frecuencia en su forma binaria, de forma que se alcanzan tasas de transmisión de 1 Mbps. Utilizando técnicas de tasa de datos mejorada (enhanced data rate) puede llegarse hasta los 2-3 Mbps. El canal se define a través de slots de tiempo que se utilizan para enviar paquetes entre los dispositivos. Estos envíos se realizan mediante un 17.

(26) CAPITULO 1 duplex basado en división de tiempo (time-division duplex), equivalente a Full Duplex (IEEE 2005). Por encima de él se encuentra el nivel de banda base (BB, baseband), que controla las operaciones sobre bits y paquetes, realiza detección y corrección de errores, broadcast automático y cifrado como sus labores principales. También emite confirmaciones y peticiones de repetición de las transmisiones recibidas (IEEE 2005). Los enlaces pueden ser síncronos usando el mecanismo de slots de tiempo, lo que posibilita transmisiones con tasa de envío constante, asíncrono, que no utiliza ninguna referencia de tiempo, realiza repeticiones de transmisión hasta que recibe una confirmación, o isócrono que es temporizado como los enlaces síncronos, pero también permite transmisiones con tasa de envío variable. El transporte puede ser unicast cuando es punto a punto, bidireccional y orientado a conexión o broadcast que es unidireccional, sin conexión y no fiable (Morrow 2002). Las red “ad hoc” formada por dispositivos que emplean esta tecnología es llamada “piconet”, y se origina dinámicamente reconfigurándose según se requiera. Estas consisten en hasta ocho nodos, compartiendo un mismo canal. Existe siempre una unidad que actuará como maestro, encargándose de controlar el acceso al canal y el resto de las unidades actuarán como esclavos. Una unidad maestro puede ser esclavo en otra “piconet”, sin embargo no puede ser maestro en dos “piconet” diferentes (Morrow 2002). Una “scatternet” está formada por múltiples “piconet”. Esta se forma cuando una unidad es maestro y esclavo a la vez o es esclavo en dos “piconet” diferentes. Consecuentemente se extiende la cobertura y se puede tener un mayor número de dispositivos. Se recomienda no tener más de 4 “piconet” en la misma zona por problemas de interferencia entre ellas (Morrow 2002). ZigBee El protocolo ZigBee fue concebido específicamente para su implementación en redes inalámbricas de sensores y está basado en el estándar IEEE 802.15.4, que define las capas básicas, física (PHY) y de control de acceso al medio (MAC). Este último especifica el 18.

(27) CAPITULO 1 protocolo y la interconexión de dispositivos vía radio en una red de área personal (PAN) de bajas velocidades y ha sido diseñado para aplicaciones de bajo ciclo útil y bajas tasas de transferencia, como redes de sensores, monitoreo y control. Además ofrece ventajas tales como muy bajo consumo de energía, variedad y complejidad de topologías de red que pueden ser implementadas como por ejemplo la formación ad-hoc y baja complejidad de implementación y fácil integración (Sinem 2004). ZigBee amplía al estándar IEEE 802.15.4 aportando una capa de red (NWK) que gestiona las tareas de “enrutamiento” y de mantenimiento de los nodos de la red, y un entorno de aplicación que proporciona una subcapa de aplicación (APS) que establece una interfaz para la capa de red. Opera en tres bandas de frecuencia diferentes: 2.4 GHz, 915 MHz y 868 MHz, todas disponibles en la banda ISM libre de licencia, y soporta una velocidad máxima de transmisión de 250 kbs (IEEE 2003). En este estándar existen dos tipos de dispositivos: de función reducida (RFD, Reduced Function Device) y de función completa (FFD, Full Function Device), diseñados para propósitos distintos. El RFD está pensado para aplicaciones muy sencillas, como interruptores de iluminación y sensores infrarrojos, solo puede comunicarse con FFDs por lo que puede ser implementado usando un mínimo de recursos y memoria. El FFD puede operar como coordinador o como dispositivo final. Puede comunicarse con otros FFD y RFD. Para ello necesita más recursos, ha de implementar la pila completa y precisan un consumo más exigente (IEEE 2003). Los tipos de topologías soportados son estrella y punto a punto. El FFD además de coordinador de la red, puede actuar como router, lo cual amplía las posibilidades y también pueden ser en mallas y árboles. Hay además cuatro estructuras de trama: trama guía (beacon), trama de comandos MAC, trama de acuse de recibo (ACK) y trama de datos. El coordinador de una PAN puede opcionalmente delimitar su tiempo de canal haciendo uso de una estructura de supertrama. La supertrama es delimitada por la transmisión de una trama guía y puede tener una porción activa y otra inactiva. El coordinador interactúa con su red solo durante la porción activa de la supertrama y por tanto, puede entrar en un modo de trabajo de baja potencia durante la parte inactiva (Sinem 2004). 19.

(28) CAPITULO 1 La trama guía o trama de sincronización es transmitida en la primera ranura de cada supertrama. Esta trama es usada para sincronizar a los dispositivos conectados, para identificar la PAN y para describir la supertrama. La parte activa de la supertrama está dividida en 16 ranuras de igual tamaño y consiste en dos grupos: el período de acceso contenido (CAP) y un período opcional de libre acceso (CFP). En el CAP se utiliza un mecanismo de acceso al medio denominado CSMA-CA con ranuras (Sinem 2004). En el CFP el coordinador puede asignar ranuras de tiempo a dispositivos que necesitan enviar datos críticos. Esto se conoce como Ranuras de Tiempo Garantizadas (GTS por sus siglas en inglés). El coordinador y el dispositivo al que se le asigna este espacio en el canal deben establecer el sentido de la comunicación en este tiempo: recepción o transmisión. Otros dispositivos no están autorizados a utilizar el canal en este periodo de tiempo. La información relacionada con los GTS está contenida dentro de las tramas guías que transmite periódicamente el coordinador (Sinem 2004). En este estándar como parte del protocolo de seguridad se utiliza la encriptación de los datos con un código simétrico. De esta forma se protegen los datos de ser leídos por dispositivos sin la llave criptográfica. Los datos pueden ser encriptados por una llave compartida por un grupo de dispositivos o usando una llave para la comunicación punto a punto. Se utiliza el estándar AES128 para encriptar y puede aplicársele a las cargas útiles de la trama guía, de la trama de comando y de la trama de datos (Sinem 2004). La integridad de la trama es otro de los servicios de seguridad que provee este estándar. Utiliza un código de integridad de mensaje para proteger los datos de ser modificados sin la clave (Sinem 2004). En total se describen 8 niveles de seguridad. El encabezado de la trama aumenta en dependencia del nivel de seguridad que se aplique reduciéndose por tanto el máximo número de bytes posibles a transmitir (Sinem 2004). WI-FI. 20.

(29) CAPITULO 1 Wi-Fi es el nombre de la certificación otorgada por la Wi-Fi Alliance, grupo que garantiza la compatibilidad entre dispositivos que utilizan el grupo de estándares 802.11, que definen las características de una red de área local inalámbrica o WLAN (Wireless Area Network). Esta norma fue diseñada para sustituir el equivalente a las capas físicas y MAC de la norma 802.3 para redes de área local o LAN (Local Area Network), también conocidas como Ethernet, por lo que se diferencian únicamente en cómo se transmiten las tramas o paquetes de datos por lo que todos sus servicios son completamente compatibles. Los diferentes estándares de esta familia se diferencian en cuanto a sus características, como son las frecuencias en que operan, la máxima velocidad de transferencia de datos, codificación y modulación que emplean. El 802.11a transmite en un rango de frecuencias que se ubican en los 5 GHz y utiliza 8 canales no superpuestos. Utiliza técnicas de multiplexación por división de frecuencia sobre portadoras ortogonales (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Según el rango de distancia, las razones de datos que se pueden obtener varían, así como los tipos de modulación correspondientes (Tabla 1.1) (IEEE 1999). Tabla 1.1: Correspondencia entre rango, tipo de modulación y razón de datos para 802.11a Velocidad en Mbit/s Tipo de Modulación Rango en metros 54. 54QAM. 10. 48. 54QAM. 17. 36. 16QAM. 25. 24. 16QAM. 30. 12. DPSK. 50. 6. BPSK. 70. El IEEE 802.11b opera desde los 2.4 GHz y emplea DSSS alcanzando velocidades de 1, 2, 5.5 y 11 Mbps, con modulación CCK (Complementary Code Keying) y DQPSK. La capacidad de la red no es uniforme y depende del entorno, las distancias y el número de usuarios conectados simultáneamente así como de las aplicaciones que se brinden y soliciten. En la práctica, ese ancho de banda compartido y esa razón de datos son 21.

(30) CAPITULO 1 suficientes para la mayor parte de las aplicaciones, excepto para flujos de video. Partiendo del elevado número de usuarios que hacen uso del servicio y que el ancho de banda es compartido entre estos, es posible instalar otros puntos de accesos en un mismo local con el objetivo de mejorar las prestaciones, aumentando el ancho de banda disponible. Haciendo uso de la norma IEEE 802.11b, la carga puede ser equilibrada con tres puntos de accesos instalados en el área, para un total de 33 Mbps como máximo y con mayor desempeño (IEEE 1999). IEEE 802.11g tiene disponibilidad de 54 Mbps de velocidad, dentro de la banda de los 2.4 GHz. Posibilita la interoperatividad con la norma IEEE 802.11b, limitándose a los 3 canales sin solapamiento con igual ancho de banda. Utiliza la técnica DSSS para las velocidades menores. Para lograr los 54 Mbps se usa la técnica OFDM (IEEE 2003). Como mecanismos de seguridad incluidos en las diferentes variantes de la norma IEEE 802.11 se encuentran WEP (Wired Equivalent Privacy, privacidad equivalente al cable), WPA (Wi-Fi Protected Access) y WPA2 (IEEE 2004). El algoritmo WEP cifra de la siguiente manera: La mayoría de las instalaciones usan una clave de cifrado estática lo cual se configura en el punto de acceso y nunca se cambia. Esto se debe a que en caso de cambio de clave de cifrado de la red, todos los usuarios tienen que enterarse de este cambio o no podrán acceder al servicio (Cisco 2011). WEP está basado en el algoritmo de cifrado RC4 que utiliza claves de 64 bits (40 bits más 24 bits del vector de iniciación IV) o de 128 bits (104 bits más 24 bits del IV). El RC4 funciona expandiendo una semilla ("seed" en inglés) para generar una secuencia de números pseudoaleatorios de mayor tamaño. Esta secuencia de números se unifica con el mensaje mediante una operación XOR para obtener un mensaje cifrado. Se especifica un vector de iniciación (IV) de 24 bits que se modifica regularmente y se concatena a la contraseña (a través de esta concatenación se genera la semilla que sirve de entrada al algoritmo (Cisco 2011).. 22.

(31) CAPITULO 1 La clave de cifrado que se usa es estática y se configura en el punto de. En caso de cambio de clave de cifrado de la red, todos los usuarios tienen que enterarse de este cambio o no podrán acceder al servicio, además no ofrece ningún servicio de autenticación. El IV que se utiliza es de longitud insuficiente (24 bits) (Cisco 2011). Buscando subsanar los problemas de WEP, aparece WPA, mejorando el cifrado de los datos y ofreciendo un mecanismo de autenticación. Para solucionar el problema de cifrado de los datos, propone un nuevo protocolo, conocido como TKIP (Temporary Key Integrity Protocol). Este protocolo se encarga de cambiar la clave compartida entre puntos de acceso y cliente cada cierto tiempo, para evitar ataques que permitan revelar la clave. Igualmente se mejoraron los algoritmos de cifrado de trama y de generación de los IVs (Cisco 2011). El mecanismo de autenticación usado en WPA emplea 802.1x y EAP. El protocolo de control de acceso y autenticación 802.1x está basado en la arquitectura cliente /servidor, que restringe la conexión de equipos no autorizados a una red. Fue diseñado para emplear servidores RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service). La autenticación se lleva a cabo mediante el protocolo EAP (Extensible Authentication Protocol). El servidor suministra las claves compartidas que se usarán para cifrar los datos. Los clientes solo requieren un nombre de usuario y contraseña para acceder a la red (Cisco 2011). Además existe otra variante llamada PSK (Pre-Shared Key). Se opera en esta modalidad cuando no se dispone de un servidor RADIUS en la red. Se requiere entonces introducir una contraseña compartida en el punto de acceso y en los dispositivos móviles. Esta clave puede ser de hasta 63 caracteres (504 bits). Cuando se logra el acceso, TKIP entra en funcionamiento para garantizar la seguridad del acceso. WPA-PSK proporciona privacidad a los usuarios de la WLAN, puesto que se genera un canal cifrado independiente para cada uno de ellos. La llave de acceso (PSK) se proporciona a los usuarios antes de conectarse a la red. Este método es fácil de instalar, y proporciona confidencialidad (Cisco 2011). HiperLAN El Instituto de Estándares de Telecomunicaciones Europeo (ETSI) fue el encargado de desarrollar High Performance Radio LAN (HIPERLAN) que es un estándar global para anchos de banda inalámbricos en redes de área local. Como resultado del 23.

(32) CAPITULO 1 perfeccionamiento de este proyecto, existen varias versiones, como son HiperLAN, HiperLAN 2, cada uno con sus características particulares. HiperLAN opera en la banda de frecuencia de 5 GHz. Proporciona una velocidad típica de 24 Mbps, con una tasa de datos aproximada de 20 Mbps. Como características presenta una baja movilidad (1.4 m/s), cubre un rango de 50 metros y soporta tráfico asíncrono y síncrono (Johnsson 1999). Cubre las capas física y MAC. Hay una nueva subcapa llamada Channel Access and Control Sublayer (CAC). Esta subcapa maneja las peticiones de acceso a los canales. La aceptación de la petición depende del uso del canal y de la prioridad de la petición. La capa CAC proporciona independencia jerárquica con un mecanismo de Elimination-Yield NonPreemptive Multiple Access (EY-NPMA). EY-NPMA codifica las prioridades y demás funciones en un pulso de radio de longitud variable que precede a los datos. Gracias a esto permite trabajar a la red con pocas colisiones aunque haya un gran número de usuarios. La capa MAC define protocolos para enrutamiento, seguridad y ahorro de energía y proporciona una transferencia de datos natural a las capas superiores. En la capa física se usan modulaciones FSK y GMSK (Johnsson 1999). HiperLAN2 opera en la banda de los 5 GHz y ofrece velocidades hasta 54 Mbps. Es una solución flexible, diseñada para redes TCP/IP, backbone UMTS y ATM de corto alcance, además de su empleo en redes privadas WLAN. Incluye especificaciones de parámetros de calidad de servicios o QoS1. Utiliza multiplexación por división de frecuencia sobre portadoras ortogonales (OFDM) (Johnsson 1999). 1.3 Componentes fundamentales de los sistemas de comunicación/transmisión de datos. Un sistema de comunicación de datos tiene como objetivo el transmitir información desde una fuente a un destinatario a través de una canal. Como componentes fundamentales de estos sistemas se tienen(Carne ; Castro Lechtaler and Fusario ; Couchill):. 1. Quality of Service. 24.

(33) CAPITULO 1 . Fuente de la señal, esta puede ser un micrófono, un dispositivo de medida de un dispositivo de monitorización, un teclado de ordenador, entre otros. La salida es una forma de onda normalmente eléctrica.. . Codificador de fuente, este componente opera sobre una o más señales para producir una salida compatible con el canal de comunicación. Puede ser desde un filtro paso bajo en un sistema de transmisión analógico o algo más complejo como un convertidor que acepta señales analógicas y produce un tren periódico de símbolos de salida (0 ó 1 ó más). Puede contener un multiplexor cuando se trata de comunicar señales de más de una fuente.. . Mecanismos de encriptación, sirven para que la señal sólo pueda ser entendida por el receptor. En los sistemas analógicos la seguridad la proporcionan los sistemas SCRAMBLING como en la televisión privada o telefonía privada (Canal+).. . Codificador. del. canal, este componente brinda. una. seguridad. diferente.. Aumenta la eficiencia y/o decrementa los efectos de los errores de transmisión. Para disminuir los errores en los sistemas analógicos se puede distorsionar la señal para hacerla menos sensible a los ruidos (sistemas Dolby). En los sistemas digitales se usa la corrección hacia delante (permite que se realice la corrección sin que el receptor tenga que pedir información adicional). . Salida, puede ser una señal analógica o digital.. . Modulador, genera una onda analógica que se transmite.. . Spread-spectrum, produce inmunidad a ciertos efectos de frecuencia selectiva tales como las interferencias y la atenuación. La señal se expande sobre un amplio rango de frecuencias de tal forma que las interferencias de tono único afectan sólo a una pequeña parte de la señal. Entre las ventajas cabe enumerar la compartición del canal e inmunidad a las escuchas (se puede llegar a confundir con ruido de un sistema de banda ancha).. . Receptor, aparece el sincronizador de símbolos que sólo es necesario en los sistemas digitales. Se trata de obtener la señal digital a partir de la analógica. 25.

(34) CAPITULO 1 1.4 Factores que afectan el diseño de un sistema de comunicación de datos. El diseño de un sistema de comunicación de datos se puede ver afectado por diversos factores como las limitaciones tecnológicas, dentro de las cuales se puede hacer referencia a disponibilidad de software o hardware. Existen situaciones en las que se conoce un diseño óptimo para un determinado sistema, pero que ese diseño no se puede llevar a la práctica porque todavía no se ha desarrollado la tecnología o no es lo suficientemente rápida para implementarlo. El compromiso entre coste y consumo siempre es también un factor a tener en cuenta por los ingenieros (Carne ; Castro Lechtaler and Fusario ; Couchill). El tamaño de los componentes electrónicos es otra limitación tecnológica a tener en consideración como posible aspecto que dificulte el diseño de sistema de comunicación, ya que este es muy pequeño, pero también lo es el sitio donde deben ser colocados y cuanto más complejo es un circuito más aumenta su tamaño (Carne ; Castro Lechtaler and Fusario ; Couchill). Otros factores a tomar en cuenta es lo referente a estándares y regulaciones gubernamentales; en comunicaciones es imprescindible la existencia de estándares que definan el funcionamiento de los equipos para permitir una correcta interoperación entre equipos procedentes de fabricantes diferentes. Además de las normas dictadas por los organismos de los diferentes países hay que tener en cuenta otro tipo de normas que son redactadas por los gobiernos. Asimismo las realidades comerciales afectan el diseño de sistemas de comunicación de datos ya que a pesar de los esfuerzos de los ingenieros por el desarrollo de dispositivos cada vez más sofisticados y eficientes, la realidad dicta que el producto final es adquirido por sus características menos relevantes (Carne ; Castro Lechtaler and Fusario ; Couchill). 1.5 Transmisiones de datos por radio en Cuba. Cuba como país emergente, no cuenta con una infraestructura de comunicaciones sólida con un alto nivel de desarrollo, por lo que se ve limitada en este sentido al iniciar un proyecto o poner en práctica algún nuevo sistema. Recurrir a tecnología inalámbrica, que. 26.

(35) CAPITULO 1 por sus características puede ser implementada con mayor rapidez, constituye una buena alternativa ante esta dificultad. 1.5.1 Importancia para la Empresa Eléctrica. La Organización Básica Eléctrica de la provincia de Villa Clara, desde hace años planea llevar a la práctica un sistema de supervisión de redes eléctricas que supone también parte de control, equiparándose con las más exitosas tecnologías de este tipo en el mundo. La misma está formada por su Dirección Provincial ubicada en la cabecera provincial, en la cual radica el Despacho de Carga Eléctrica, y por sucursales ubicadas en el resto de los municipios. Actualmente la red eléctrica de la provincia tiene instalados un total de 135 desconectivos NULEC, distribuidos por las diferentes subestaciones. Este dispositivo digital, tiene como función básica la conexión y desconexión de determinada parte del circuito. Adicionalmente brinda una serie de funcionalidades que permiten la obtención de mediciones y la configuración del equipo para que actúe automáticamente según determinados parámetros. Mediante un módulo de comunicaciones que tiene integrado, es posible hacer uso de ellas o simplemente operarlo de forma remota. Para lograr el funcionamiento del sistema, es necesario establecer el intercambio de información entre los diferentes dispositivos y el centro de comando ubicado en la cabecera provincial. Esto se puede lograr a través de diferentes medios, pero en este caso resulta más factible utilizar el enlace por radio, porque brinda mayor facilidad y rapidez en su instalación, teniendo en cuenta que no existe un amplio desarrollo de la red de datos de ETECSA que permita llegar directamente a cada uno de los equipos, los cuales además están ubicados en muchas ocasiones en lugares de difícil acceso. Por otra parte la empresa ya cuenta con una disponibilidad garantizada de Radios Hytera TM-800 mediante un acuerdo comercial con su distribuidor chino, los cuales se usan para la comunicación por voz y que gracias a una actualización de su firmware permiten la transmisión digital de datos. Esta alternativa ofrece ventajas económicas y además independencia y flexibilidad a su sistema de comunicación al ser manejado y administrado internamente. Los equipos NULEC tienen un panel de control con una pantalla LCD de cuatro líneas de forma que el operador puede visualizar los valores de las diversas lecturas, el estado de los 27.

(36) CAPITULO 1 componentes, o variar alguno de los parámetros de configuración y realizar acciones de apertura y cierre. La variante anterior implica la presencia física de una persona en cada lugar de emplazamiento. Haciendo uso del sistema de comunicación, desde un mismo punto se pueden realizar las operaciones antes mencionadas para cualquiera de las ubicaciones y en el momento que se desee (Figura 1.1a y b).. Figura 1.1a: Información de telecontrol, telemediciones y datos del interruptor.. 28.

(37) CAPITULO 1. Figura 1.1b: Información general de todos los interruptores. Una ventaja importante que ofrece la posibilidad de supervisar los NULEC remotamente es, que permite mediante el muestreo periódico, obtener gráficas de demanda en función del tiempo (Figura 1.2), que constituyen un elemento muy útil para los ingenieros eléctricos, que dirigen sus estudios a lograr que estas curvas se acerquen a la característica deseada. El anterior constituye un tema muy importante dentro de la generación y distribución de energía eléctrica, y los logros obtenidos en este sentido tienen como resultado el aumento de la eficiencia y por consiguiente el ahorro de combustible, algo de mucha importancia en la actualidad.. 29.

(38) CAPITULO 1. Figura 1.2: Gráfica de demanda de potencia en función de la hora del día. Por otra parte, también se pueden usar las gráficas de corriente de las diferentes fases (Figura 1.3a y b). A través de su análisis se realiza el ajuste o balance de cargas de manera que estén repartidas en la misma proporción en cada una de las fases para lograr que las lecturas sean lo más parecidas posible. Cuando esto se logra las pérdidas en las líneas de transmisión son menores.. 30.

(39) CAPITULO 1. Figura 1.3a: Gráfica de corrientes de fase balanceadas.. Figura 1.3b: Gráfica de corrientes de fase desbalanceadas (corriente ic muy alejada de las otras dos).. 31.

(40) CAPITULO 1 De forma remota también es posible ajustar funciones, por ejemplo la hora del reloj interno del NULEC. Si esa acción es realizada tomando como referencia un mismo valor, en este caso la hora de la PC, entonces es posible sincronizar los dispositivos con una misma configuración; así los datos analizados tienen una misma base de tiempo. 1.6 Herramientas utilizadas en el trabajo. Para el desarrollo del presente trabajo se analizó la herramienta TELENUL con la que actualmente cuenta la OBE. Este software de supervisión y telecontrol de redes de distribución, está diseñado especialmente para recerradores y seccionalizadores NULEC y permite trabajar con toda la información procesada por el gabinete de control. Entre las principales prestaciones que brinda TELENUL está la solicitud de información y recepción de respuestas de múltiples tipos de datos en un solo mensaje y la obtención de informaciones procesadas por el gabinete de control. TELENUL es un producto completamente configurable, cuenta con varias opciones muy fáciles de actualizar y que permiten personalizar el SCADA con un mínimo de esfuerzo, según las características del lugar donde se instale. Está provisto de un potente sistema de reportes que se alimenta de los valores históricos almacenados en archivo. Los reportes pueden ser visualizados e impresos, y contienen información muy valiosa sobre el comportamiento del sistema eléctrico. El reporte de «Eventos analógicos» recoge todos los cambios significativos de las variables analógicas medidas (parámetros eléctricos y otros valores analógicos de operación). A través de este reporte se puede conocer el comportamiento real en el tiempo de todas las variables analógicas, con el verdadero rango de variación. El patrón de cambio significativo lo determina el valor de banda muerta, que se le configura a cada variable en el gabinete de control. El reporte de «Eventos binarios» recoge todos los cambios de estado de las variables binarias controladas. A través de este reporte se pueden conocer todas las averías o situaciones anormales que han ocurrido, con el detalle del tiempo real de las mismas. El reporte de «Operación» recoge todas las acciones de telecontrol realizadas (abrir o cerrar un interruptor, modificar condiciones de trabajo, modificar el tipo de protección, etc.). A través de este reporte se pueden conocer las 32.

(41) CAPITULO 1 acciones realizadas en el transcurso de la operación del sistema eléctrico, quedando registrado en el mismo el responsable de cada una. El reporte de «Telemediciones» recoge los valores periódicos de los parámetros eléctricos medidos (corrientes, voltajes y potencias), por medio del cual se puede conocer el valor de los parámetros eléctricos en diferentes instantes de tiempo; la periodicidad con que se almacenan estos valores es configurable y depende del período de muestreo seleccionado. El reporte de «Consumo en kWh» recoge la energía eléctrica consumida por hora y diaria, y permite conocer el comportamiento del consumo eléctrico de forma detallada, en el rango de tiempo que se desee. El reporte de «Comunicación» recoge los errores que ocurran en la transmisión de datos, y se puede conocer el comportamiento de las comunicaciones. Todos los reportes se solicitan por rango de tiempo, lo cual permite precisar con detalles la información que se desea consultar; también se pueden filtrar los datos mostrados por diferentes conceptos. TELENUL permite también visualizar e imprimir la información de los parámetros eléctricos a través de gráficos, que pueden mostrar valores históricos almacenados en archivos, o información de tiempo real. 1.7 Consideraciones parciales del capítulo. En el presente capítulo se profundizó en el estudio de los medios de comunicaciones inalámbricos, haciendo énfasis en sus campos de aplicación. La tecnología inalámbrica es aplicable no solo a empresas de electrónica o industriales, debido su amplia gama es aplicable a todo tipo de empresas sin tener en cuenta su perfil, sin embargo se debe contar con una inversión considerable para su implementación. Dada la gran variedad de usos que se le pueden dar y que son muchas las aplicaciones que tiene, cada una de las cuales presenta características propias y requerimientos específicos, existen también un gran número de estándares que especifican su funcionamiento. Para la Empresa Eléctrica el uso de la comunicación inalámbrica es de vital importancia a partir de la supervisión y control que desean llevar a cabo.. 33.

(42) CAPITULO 2. CAPÍTULO 2 34.