Capítulo II
MARCO TEÓRICO
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
En el proceso investigativo, la fundamentación teórica juega un papel fundamental, ya que por medio de ésta se enfocan los distintos puntos de vista en cuanto a las categorías del objeto de estudio. En este capítulo, se expone la descripción de los antecedentes de la investigación, analizando los aportes que cada uno de ellos le brindan al estudio de la misma, así como también se desarrollarán las bases teóricas que ayudan y sustentan la solución del problema. A través de esto, se busca lograr una buena compresión y orientación para el lector, logrando así darle a la investigación un sistema de conceptos coordinado y coherente.
1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
El tema tratado en la presente investigación ha sido objeto de estudio por otros, de esta manera, con el propósito de brindar una visión más amplia, se han evaluado una serie de trabajos de investigación los cuales sustentan el problema que se aborda, haciendo referencia a resultados presentados por otros investigadores, sobre ideas, teoría fundamentada y comentarios expuestos, que ayuda a darle un soporte teórico al desarrollo de
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la presente tesis.
En este sentido, se menciona el trabajo realizado por Acosta Linares;
León Lepri y Rincón Rincón (2015); el cual fue realizado en la Universidad Rafael Belloso Chacín titulado “Red inalámbrica basada en antenas sectoriales para la distribución de información en URBE”. La investigación estuvo sustentada por los postulados de Huidobro (2012); Martínez (2007);
Tomasi (2003), entre otros.
La investigación se tipificó de tipo proyectiva, descriptiva, de campo y de diseño no experimental. El diseño de la misma se logró siguiendo la combinación metodológica propuesta por Savant (2000) a través de cinco fases, cada una orientada a cumplir con los objetivos propuestos; así mismo se tiene que (I) Definir el problema, (II) Subdividir el problema, (III) Crear documentación, (IV) Construir el prototipo a utilizar y (V) Finalizar el diseño.
De esta manera, se llevó a cabo la construcción del prototipo y se realizaron pruebas finales y una simulación de la red, para finalmente ser evaluada por expertos en el área de las telecomunicaciones, los cuales validaron o determinaron la viabilidad que poseía la misma.
Concluidas las cinco fases propuestas, se obtuvo como resultado el desarrollo de una red inalámbrica la cual incluyó los puntos ciegos, nulos y donde había menor recepción de red inalámbrica WiFi proporcionada por la Universidad Rafael Belloso Chacín (URBE), en función de erradicar los lugares específicos y alrededores en los cuales se presentaba el problema.
Finalmente, se recomendó realizar las adecuaciones y ajustes
necesarios al momento de implementar la red inalámbrica o la utilización del prototipo para su implementación.
La importancia que marca este antecedente en la presente investigación, es que el mismo sirve de soporte para el establecimiento de las bases teóricas, ya que los autores en los cuales se sustenta muestran una amplia documentación en teoría de antenas y transmisión de datos. Así mismo, será una guía y ayuda para la elección del tipo de investigación, en función de lograr los objetivos planteados en el capítulo anterior.
Por otra parte, Romero Romero (2013) realizó un estudio en el Instituto Politécnico Nacional en México, el cual llevó por nombre “Antena Fractal para sistemas de comunicaciones en la banda de 2,4GHz”. Dicha investigación estuvo sustentada por los autores Pozar (2005), Tomasi (2003), Volakis (2007) y Cardama (1998).
A lo largo de la investigación se propuso el desarrollo de una antena dipolo fractal pequeña o compacta pero con una alta eficiencia, para ser usada en sistemas de comunicaciones personales como telefonía celular, GPS, WiFi, entre otras; basadas en el método de Koch. Para lograr tal objetivo, se estructuró la investigación en cinco capítulos:
Capítulo I, abordó los conceptos más relevantes de la teoría fractal, entre los cuales se encuentra la definición fractal, propiedades de ésta, principales conjuntos fractales así como, su generación y las aplicaciones de la geometría fractal. En el Capítulo II, se establecieron con mayor detalle las aplicaciones que poseen este tipo de antenas, tal es el caso de los
monopolos y dipolos fractales.
En el Capítulo III, se presentó finalmente el diseño del dipolo de Koch, los cálculos para la obtención y la longitud de los brazos del dipolo en sus dos versiones, de igual forma se presentaron los resultados obtenidos mediante el software de simulación electromagnética, y se hizo la comparación con dos dipolos diseñados con los mismos materiales, pero de forma convencional.
En el Capítulo IV, se describió el proceso de construcción y caracterización de la antena fractal de tipo Koch planar, así mismo se presentaron los resultados del proceso; también se realizó la comparación entre los resultados obtenidos a través del simulador y los obtenidos con los equipos de medición. En última instancia, el Capítulo V mostró las conclusiones generales y específicas de la tesis.
La anterior investigación brinda amplia documentación acerca del diseño y construcción de antenas fractales según la curva de Koch, así como muestra un contraste en cómo dichas antenas presentan una mejoría con respecto a las convencionales. De la misma manera, hacen uso de las tecnologías a trabajar en la presente investigación, razón por la cual la adición de este antecedente se hace importante.
De modo similar, se presenta el trabajo de investigación realizado por Lara Carvajal y Marrero Pérez (2012), en la Universidad Católica Andrés Bello, el cual lleva por título “Diseño y construcción de antenas para telefonía móvil con fractales del tipo Hilbert”. La sustentación teórica fue hecha sobre
las teorías de Huidrobro (2006), Oviedo (2004), Miranda (2002) y Cardama (2004). Dicha investigación tuvo como finalidad el diseño y construcción de antenas para telefonía móvil que operen a una frecuencia de 805MHz, aplicando la teoría de los fractales usando la Curva de Hilbert.
Para el logro de los objetivos se plantearon una serie de procedimientos y técnicas de diseño, simulación y construcción. En los resultados obtenidos en la simulación se observó cómo al aumentar el valor de la longitud de onda, el número de iteraciones de la curva y la variación del punto de alimentación, es posible hallar un patrón de comportamiento en las antenas y de esta manera obtener prototipos para su construcción.
En la etapa de construcción, se trabajó con circuitos de acople los cuales permitieron lograr trasladar el valor de las impedancias, para que éstas se encontraran acopladas a la frecuencia deseada. Obteniendo así, finalmente, una antena que cumplió con el objetivo de radiar en la frecuencia de 805MHz, con una buena ganancia y patrón de radiación, y con un ancho de banda que le permitió operar en las estaciones de radiocomunicaciones móviles terrestres.
Dado antecedente es tomado a consideración gracias al aporte que genera en las bases teóricas, ya que los autores en los cuales se sustenta la investigación poseen amplia documentación sobre funcionamiento de antenas y transmisiones en microondas. De igual forma, posee información en lo que a diseño y construcción del prototipo de antena fractal se refiere, así como una guía para la evaluación de los resultados que serán obtenidos.
Por último, Kerketta y Behera (2012) realizaron un estudio en el Instituto Nacional de Tecnología de Rourketa, India; que llevaba por nombre “Diseño de una antena fractal para aplicaciones WLAN y WiMAX”, sustentado teóricamente por Balanis, Constantine (2005). Se trabajó con el diseño de una antena microstrip con geometría fractal para redes WLAN y WiMAX, usando un software llamado CST Microwave Studio Suite. El cuerpo de la investigación se resume en 5 capítulos:
En el Capítulo I, se planteó una introducción y revisión general sobre el objetivo de la investigación, así como una descripción de la historia y necesidad por las antenas de carácter microstrip basados en la teoría fractal.
En el Capítulo II, se describieron varias propiedades de las antenas y los términos asociados a ellas, así como las ventajas y desventajas de cada uno de los diseños existentes y posibles métodos de alimentación. En este sentido, en el Capítulo III, se seleccionó el diseño geometría más eficiente para el prototipo de la antena en cuestión.
En el Capítulo IV, se presentó el proceso de diseño y los resultados de la simulación bajo el método de la Curva de Koch con guía de onda co- planar, mostrando así varias de las propiedades que la antena era capaz de ofrecer. Por su parte, en el Capítulo V, se mostraron los resultados obtenidos mediante la simulación de otro diseño de antena fractal, en este caso usando el modelo del Triángulo de Sierpinski con guía de onda co-planar.
El antecedente que marca dicha investigación lo constituye su contribución al ámbito teórico, ya que la misma explica los diferentes tipos de
antenas fractales y los medios de alimentación que utilizan, así como su funcionamiento de acuerdo con la geometría manejada para su construcción.
Al mismo tiempo es un precedente importante, ya que utiliza los mismos estándares que serán trabajados en la presente investigación: WLAN (para servicios de WiFi) y WiMAX.
2. BASES TEÓRICAS
La presente investigación tiene como objeto el desarrollo de una antena fractal multibanda para redes inalámbricas de área local basada en las tecnologías WiFi y WiMAX. Es por ello que en este punto se establecerán todos aquellos principios o teorías que serán la base para el desarrollo de la misma, con el fin de dar la fundamentación necesaria, entre ellos definiciones, argumentos, elementos teóricos, ecuaciones e imágenes que sustentan y respaldan las variables de estudio de la investigación.
2.1. SISTEMA
Primeramente, se tiene a Ogata (2010, p.3), el cual afirma que un sistema es una combinación de componentes, los cuales actúan juntos y realizan un objetivo determinado y éstos no están limitados solo en sistemas físicos, sino también, en biológicos, económicos y similares.
Para Rubén y Castro (2000, p.15) un sistema es un conjunto de elementos que están relacionados dinámicamente, tomando una actividad para alcanzar un objetivo operando sobre datos, energía y materia para
proveer información.
Por último, Kendall y Kendall (2005, p. 29) definen sistema como un conjunto organizado de partes que se relacionan formando un todo unitario y complejo. Además, resaltan que hay diversos tipos de sistemas y que la aplicación de cada uno de éstos depende de en qué ámbito se aplique.
Por tanto, se puede definir un sistema, como un conjunto de elementos que poseen características similares, los cuales se unen para desarrollar un trabajo en específico. Este conjunto no está limitado en una sola área sino, que engloba diversas de estas como económicas, biológicas, sociales, entre otras. En esta investigación, el término sistema hace referencia al sistema de comunicaciones inalámbricas a desarrollar para prestar un determinado servicio.
2.1.1. SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE DATOS
El término se refiere a un conjunto de componentes, los cuales hacen que sea posible el conducir una señal de datos, ya sea que ésta sea transmitida, recibida o cumpla más funciones al mismo tiempo, utilizando, para que esto se logre, diversos tipos de conexiones.
2.1.1.1. TIPOS DE TRANSMISIÓN DE DATOS
De acuerdo a Forouzan (2014, p 52), la transmisión de datos en cualquier sistema de comunicaciones puede realizarse de dos formas y hay que estar muy consciente de las características de las mismas. El tipo de
datos que van a ser manejados permite determinar la formas en cómo los mismos deben ser tratados y los equipos o formas en cómo los mismos deben de enviarse. Las transmisiones pueden ser entonces:
Figura 1. Transmisión de datos análoga y digital.
Fuente: Butler (2013).
(A) TRANSMISIÓN ANÁLOGA
Por su parte Forouzan (2014, p.52), expone que en la transmisión análoga consiste en el envío de información en forma de ondas, es decir, que se toman valores continuos, exactamente como el sonido de la voz humana.
De acuerdo a Herrera (2012, p.32), este tipo de transmisión implica la creación de una forma de onda eléctrica análoga, también llamada señal análoga, a la forma de onda de la información original, como un patrón de onda de voz, de esta forma, la señal es similar a la voz o a la forma de onda de la información que representa.
Por tanto, la transmisión análoga es una señal que transporta la información de manera continua, y esta mantiene su forma original en todo
momento. Se puede tomar como ejemplo para este tipo de transmisión la voz humana, ya que ésta es una señal sonora y cumple con las características de las señales análogas. Este tipo de señales son encontradas en muchos procesos de la vida cotidiana, así como también son ampliamente usadas en muchas aplicaciones comerciales.
(B) TRANSMISIÓN DIGITAL
De acuerdo a Forouzan (2014, p.52), se toma a consideración que la transmisión digital se basa en que los datos a enviar toman valores discretos, es decir, en forma de ceros y unos, los cuales representan la amplitud de la misma. El autor manifiesta que funciona parecido a cómo se almacenan datos en la memoria de una computadora.
Por su parte, Herrera (2012, p.32), indica que la transmisión digital consiste, en que la información que pasa por el medio de transmisión y se convierte en una serie de pulsos eléctricos binarios que pueden asumir alguno de los dos valores posibles de amplitud (0 volts o A volts para este tipo de transmisión). Esta información se envía como una serie de dígitos, e indica que esta técnica se ha convertido en el principal método de telecomunicaciones, esto debido a sus beneficios tanto económico como de funcionamiento.
Puede decirse que, los autores afirman que las señales digitales están representadas por ceros y unos, lo cual hace que éstas tengan la característica de ser discretas. Dichos valores se determinan debido a la
amplitud de la señal. También, se hace analogía con las computadoras, las cuales funcionan con este tipo de transmisión para el almacenamiento de datos.
2.1.1.2. MODOS DE TRANSMISIÓN DE DATOS
Según Forouzan (2014, p.28) este término se usa para definir la dirección del flujo de las señales entre dos dispositivos enlazados en una misma red o redes diferentes. El modo de transmisión también se puede traducir simultáneamente a través de los canales de comunicación. Los modos de transmisión pueden clasificarse en:
(A) SIMPLEX
Para Forouzan (2014, p.6), es omnidireccional, es decir, una de las dos estaciones de enlace puede transmitir y la otra recibir, pero no pueden intercambiarse el trabajo. El autor da como ejemplo los monitores, que solo pueden aceptar datos de salida; y los teclados de computadora, donde su trabajo es introducir datos. Además, este modo puede usar toda la capacidad del canal para enviar datos en una dirección.
Por otro lado, para Tomasi (2003, p.10), hace referencia a la emisión comercial de radio o televisión, donde en éstas uno solo transmite y otro siempre recibe ya que la manera de funcionar de ésta es parecido a que uno de los lados estuviera deshabilitado.
Ambos autores afirman, que en el modo de transmisión simplex se tiene
un receptor y un emisor los cuales no cambian, ya que la transmisión va en un solo sentido. De igual forma, este modo tiene la característica de que usa todo el ancho de banda del canal al momento de transmitir. Cabe acotar que, esta fue la primera forma de transmisión de datos.
Figura 2. Modo de transmisión de datos Simplex.
Fuente: Forouzan (2014).
(B) HALF-DÚPLEX
De acuerdo a Forouzan (2014, p.6), en el modo half-dúplex cada estación puede enviar y recibir pero no al mismo tiempo, es decir, cuando una está enviando la otra solo puede recibir, y viceversa. Este modo de transmisión se usa en aquellos casos donde no es necesario que la comunicación sea en ambos sentidos de manera simultánea, de esta forma, toda la capacidad del canal se puede usar en cada dirección. Un ejemplo son los walkie-talkies.
Por otro lado, Tomasi (2003, p.10) expone que en el funcionamiento half-dúplex, las transmisiones pueden darse en ambas direcciones, esto quiere decir que las estaciones pueden ser emisoras y receptoras, pero no al mismo tiempo.
Los autores concuerdan, que este tipo de transmisión tiene como característica que las estaciones pueden ser tanto emisoras como receptoras, aunque una primero y la otra después, es decir que una debe esperar a que la otra termine de enviar para poder transmitir. Y agregan que utiliza todo el ancho de banda disponible del canal de transmisión. Éste fue un gran avance en la forma de transmitir datos.
Figura 3. Modo de transmisión de datos Half-Dúplex.
Fuente: Forouzan (2014).
(C) FULL-DÚPLEX
Primeramente, Forouzan (2014, p.7) establece que ambas estaciones pueden enviar y recibir simultáneamente. Para que este tipo de comunicación pueda ocurrir, las señales que van en cualquiera de las dos direcciones deben compartir la capacidad del enlace, esto se puede dar de dos formas, ya sea que el enlace contenga caminos de transmisión separados, uno para enviar y otro para recibir, o se debe dividir la capacidad del canal entre las señales que viajan en direcciones opuestas.
Por su parte, Tomasi (2003, p.10) establece que la comunicación full- dúplex se caracteriza porque las transmisiones se pueden dar en ambas direcciones al mismo tiempo, esto quiere decir que una estación puede
transmitir y recibir de manera simultánea. El autor da como ejemplo una red telefónica, en la cual dos personas pueden hablar al mismo tiempo.
Los autores coinciden, haciendo constar que en este tipo de transmisión las estaciones o dispositivos se pueden comunicar de manera simultánea, en donde la estación transmisora puede ser a su vez la receptora. Cabe destacar que el canal de transmisión se debe compartir, siendo esta la forma de transmisión de datos más usada en la actualidad.
Figura 4. Modo de transmisión de datos Full-Dúplex.
Fuente: Forouzan (2014).
2.2. REDES
De acuerdo a lo señalado por Forouzan (2014, p.7), una red es un conjunto de dispositivos (a menudo denominados nodos) conectados por enlaces de un medio físico. Un nodo puede ser una computadora, una impresora o cualquier otro dispositivo capaz de enviar y/o recibir datos generados por otros nodos de la red.
A su vez, León (2002, p.1) expone que éste es un conjunto de equipos y facilidades que proporcionan un servicio consistente con respecto a la transferencia de información entre usuarios, estando éstos situados en puntos geográficos distantes.
De acuerdo con Stallings (2005, p.731) una red consta de varias computadoras conectadas entre sí, que a su vez permiten compartir recursos e información, donde los primeros son los dispositivos o las áreas de almacenamiento de datos de un ordenador y la segunda suele consistir en archivos y datos. Es una colección que proporciona interconexión entre varios dispositivos de comunicación de datos entre estaciones conectadas a la red.
Finalmente, se entiende a la red como un conjunto de dispositivos, los cuales pueden ser una computadora, una impresora, o cualquier equipo capaz de enviar y recibir información; los cuales se encuentran interconectados a través de un enlace físico y son capaces de compartir recursos e información entre sí a pesar de que se encuentren en puntos geográficos distantes.
2.2.1. REDES DE COMUNICACIONES
Para Barbancho (2014, p.1) una red de comunicaciones es un conjunto de medios técnicos, establecidos de manera organizada, para que éstos transmitan o comuniquen información entre ellos por medio de conexiones físicas.
Por su parte, Huidobro (2006, p.1) amplía este concepto, estableciendo que las redes de comunicaciones, se construyen con el objeto de prestar servicios de comunicaciones, de muy diversa naturaleza, a los usuarios que se conectan a ellas, y así, muchas de las redes que hoy existen pueden
ofrecer voz, datos e imágenes con la calidad de servicio deseada, en base a incorporar en la misma una combinación de tecnologías que hacen posible disponer de un gran ancho de banda y una alta capacidad de conmutación.
Así mismo, Hasselbach (2002, p.24) define a una red de comunicaciones como un conjunto de medios de transmisión y conmutación, los cuales interactúan para el envío de información entre puntos separados geográficamente.
Tomando en consideración lo expuesto anteriormente, se concluye que una red de comunicaciones es un conjunto de medios de transmisión y conmutación, los cuales se encuentran organizados de una manera técnica que les permite hacer el envío de información entre puntos separados a diferentes distancias.
2.2.1.1. REDES DE ÁREA LOCAL (LAN)
Para Forouzan (2014, p.13) la misma “suele ser una red de propiedad privada y conecta enlaces de una única oficia, edificio o campus”. Es importante acotar que dependiendo de las necesidades de la organización donde se instale y del tipo de tecnología utilizada, una LAN puede ser tan sencilla como dos PC y una impresora situadas en la oficina de la casa de alguien; o se puede extender por toda una empresa e incluir periféricos de voz, sonido y video. Actualmente, el tamaño de las LAN está limitado a unos pocos kilómetros.
Por su parte, Tanenbaum (2003, p.137), asegura que las redes de área
local (Local Area Network), son redes de propiedad privada dentro de un solo edificio o campus de hasta unos cuantos kilómetros de extensión. Se usan ampliamente para conectar computadoras personales y estaciones de trabajo en oficinas de compañías y fábricas con objeto de compartir recursos e intercambiar información.
El autor Barbancho (2014, p.4) postula que este tipo de red de comunicaciones interconecta nodos localizados dentro de un mismo edificio o como mucho en edificios contiguos ya que el alcance de la misma no es muy grande.
Los autores coinciden en que las redes de área local son redes de carácter privado y tienen un alcance muy corto, de unos pocos kilómetros, por lo tanto al momento de instalar la misma se debe considerar que todos los equipos se encuentren cerca uno del otro, y que el área en el que los mismos se encuentren sea reducida.
Figura 5. Redes de Área Local (LAN).
Fuente: Forouzan (2014).
2.2.1.2. REDES DE ÁREA METROPOLITANA (MAN)
Para Forouzan (2014, p.32) una red de área metropolitana “ha sido diseñada para que se pueda extender a lo largo de una ciudad entera”. De esta manera, puede ser una red única, como una red de televisión por cable, o puede ser una forma de conectar un cierto número de LAN de una red mayor, de forma que los recursos puedan ser compartidos de LAN a LAN y de dispositivo a dispositivo.
Así mismo, una MAN puede ser propiedad total de una empresa privada, que será su operadora, o puede ser un servicio proporcionado por una empresa de servicio público.
Por su parte, Tanenbaum (2003, p.138) la define como una red que abarca un área metropolitana, como, por ejemplo, una ciudad o una zona suburbana. Una MAN generalmente consta de una o más LAN dentro de un área geográfica común. Normalmente, se utiliza un proveedor de servicios para conectar dos o más sitios LAN utilizando líneas privadas de comunicación o servicios ópticos.
El autor Barbancho (2014, p.4) expone que “es un concepto similar a la LAN, pero cuya área de cobertura es mayor, abarcando ciudades enteras”.
Así pues, los autores coinciden en que una red de área metropolitana, posee un concepto similar al de redes LAN más sin embargo cubre un área de mayor extensión, generalmente definido como una ciudad.
Además, el autor señala que las redes MAN pueden estar orientadas a
ser una red única prestadora de servicios, o puede considerarse como la interconexión de varias LAN a modo de que puedan intercambiarse información entre LAN a LAN y de dispositivo a dispositivo. Estas redes MAN pueden ser manejadas por una empresa privada, la cual será su operadora, o puede ser un servicio proporcionado por una empresa de carácter público.
2.2.1.3. REDES DE ÁREA AMPLIA (WAN)
El autor, Forouzan (2014, p.32), define a una red de área amplia como aquella que “proporciona un medio de transmisión a larga distancia de datos, voz, imágenes e información de vídeo sobre grandes área geográficas que pueden extenderse a un país, un continente o incluso al mundo entero”. En contraste con las LAN (que dependen de su propio hardware para transmisión), las WAN pueden utilizar dispositivos de comunicación públicos, alquilados o privados, habitualmente en combinaciones, y además pueden extenderse a lo largo de un número de kilómetros ilimitado.
Por su parte, la compañía Cisco (2009) en su currículum establece que las redes WAN están diseñadas para operar dentro de un área geográfica extensa, permitir el acceso a través de interfaces seriales que operan a velocidades bajas, suministrar conectividad parcial y continua, así como también, conectar dispositivos separados por grandes distancias incluso a nivel mundial.
Por último, Barbancho (2014, p.4) considera redes de área amplia a todas las redes de comunicaciones que cubren un área geográfica extensa.
Habitualmente, una WAN está compuesta por una serie de LAN conectadas a través de enlaces, ya sean cableados, normalmente fibra óptica, o inalámbricos.
Los mencionados autores, establecen que las redes de área amplia, conocidas como WAN, proporcionan un medio de transmisión o son una interconexión de diferentes LAN o MAN a larga distancia, la cual permite compartir datos, voz, imágenes e información de video, abarcando una distancia extensa que puede ser un terreno nacional, continental o hasta global. De la misma manera, las WAN pueden estar en la capacidad de usar dispositivos de comunicación públicos, alquilados o de carácter privado; o en
la mayoría de las veces, combinaciones de los mismos.
Figura 6. Redes de Área Amplia (WAN).
Fuente: Forouzan (2014).
2.2.1.4. REDES DE ÁREA LOCAL INALÁMBRICAS (WLAN)
Para Valdivia (2014, p.144) las redes WLAN, o redes de área local inalámbrica “son un sistema de comunicación de datos inalámbrico flexible y muy utilizado como alternativa a la LAN cableada o como extensión de esta”.
Se emplea una tecnología de radiofrecuencia que permite mayor movilidad a los usuarios al minimizarse las conexiones cableadas.
Por su parte, Pellejero (2006, p.3) la define como aquella en la que una serie de dispositivos (PCs, estaciones de trabajo, impresoras, servidores, laptop, PDA, etc.) se comunican entre sí mediante emisiones radioeléctricas que se propagan a través del aire, sin necesidad de tendido de cable.
Puede decirse que, ambos autores concuerdan que las redes de área local inalámbrica constituyen un recurso cuando se necesita un sistema de comunicación de datos que presente flexibilidad y que no tenga las limitantes en cuanto a movilidad que originan las LAN convencionales o cableadas.
Las redes inalámbricas de área local emplean tecnologías de radiofrecuencia que se propagan a través del aire, sin necesidad de tendido de cable, y conectan una gran cantidad de dispositivos entre ellos estaciones de trabajo, impresoras, servidores, entre otros.
2.3. REDES INALÁMBRICAS
Según Cisco (2009), las redes inalámbricas poseen características fundamentales que las diferencian de las redes LAN cableadas. Para las redes inalámbricas una dirección MAC señala la ubicación física de algún equipo, mientras que en las redes cableadas este aspecto se da por hecho.
Las capas físicas que se utilizan en IEEE 802.11 son diferentes que las que se utilizan en los medios cableados.
La arquitectura inalámbrica consiste en varios componentes que interactúan, entre ellos para brindar conectividad estos componentes pueden moverse de una estación a otra, siendo este cambio transparente
para las capas superiores del modelo OSI, es decir la capa de red hacia arriba. A continuación se brindará una mayor explicación sobre estas redes y la manera en cómo las mismas interactúan.
2.3.1. REDES DE COMUNICACIONES INALÁMBRICAS
De acuerdo a Forouzan (2014, p. 197) se establece que las comunicaciones inalámbricas, también denominadas medios no guiados, transportan ondas electromagnéticas sin tener que usar un conductor físico, ya que las señales viajan a través del aire, lo cual hace que estén disponibles para que cualquier usuario que tenga un dispositivo compatible sea capaz de recibirlas.
Teniendo definido anteriormente redes por el mismo autor, se puede decir que redes de comunicaciones inalámbricas son un conjunto de dispositivos conectados a fin de brindar un servicio a un grupo de usuarios, los cuales deben de poseer aparatos o equipos que sean compatibles con el estándar de conexión inalámbrica.
2.3.1.1. COMPONENTES DE LA RED
Es importante tener un claro conocimiento de cómo se compone una red de comunicaciones, de esa manera se hace mucho más sencillo conocer cómo participa cada elemento del conjunto y así poder tener mejor manejo y entendimiento de las funciones de los mismos, a continuación se pasará a definir los elementos básicos principales que
constituyen una red de comunicaciones inalámbricas más usadas en la actualidad, los cuales se encuentran definidos por Huidobro (2006, p310):
Figura 7. Componentes de una Red de Comunicaciones Inalámbricas.
Fuente: www.netacad.com (2009).
(A) MSC (CENTRO DE COMUNICACIONES DE SERVICIOS MÓVILES)
Cumple con la función de interconectar usuarios de la red fija con los móviles o de éstos entre sí. A su vez, éstos mantienen las bases de datos para tratar las peticiones de llamada de los usuarios. Éste a su vez cuenta con dos registros, el HLR y el VLR.
(B) HLR (REGISTRO DE LOCALIZACIÓN LOCAL)
Esta es una base de datos, la misma almacena las estadísticas más significativas relacionadas al abonado móvil, esto se da desde el momento en que éste se registra en ella, así como los datos variables asociados a su
movilidad.
(C) VLR (REGISTRO DE LOCALIZACIÓN DE VISITANTES)
Almacena toda la información sobre el usuario móvil que entra en su zona de cobertura temporalmente, lo que permite al MSC establecer llamadas tanto terminales como salientes. Se considera como el registro de teléfonos en condición de visitantes.
(D) OMC (CENTRO DE OPERACIONES Y MANTENIMIENTO)
Realiza funciones de operación y mantenimiento propias del sistema, estableciendo correctamente los parámetros que controlan los procedimientos de comunicación. Esto facilita la localización de verías, la generación de estadísticas del servicio, entre otras funciones.
(E) MS (ESTACIÓN MÓVIL)
Es el terminal de usuario/teléfono móvil, que se comunica con la red a través de una interfaz de radio, la cual cambia su posición geográfica periódicamente.
(F) BTS (ESTACIÓN TRANSCEPTORA BASE)
Contiene los dispositivos de trasmisión y recepción por radio, incluyendo las antenas, para cubrir una determinada área geográfica (una o más celdas). Su función principal es realizar el enlace al usuario.
(G) BSC (CONTROLADOR DE ESTACIÓN BASE)
Coordina la transferencia de llamadas entre distintas BTS, su objetivo siendo el de mantener la continuidad y la potencia con que las mismas emiten las señales, para evitar interferencias y ahorrar la vida de las baterías.
2.3.1.2 TOPOLOGÍAS DE REDES INALÁMBRICAS
Antes de definir un conjunto de topologías, es necesario describir primero cómo son las interacciones entre todos los componentes involucrados a una red LAN inalámbrica o WLAN para mayor comprensión de la misma.
Según Cisco (2009), el conjunto de servicios básicos comienza con el BSS, que es el bloque constructor de una WLAN con estándar 802.11. El BSS abarca una única área de radiofrecuencia o celda, a medida que una estación se aleje de un punto de acceso, es decir, a medida que se acerque al borde del BSS su velocidad disminuirá. Otro punto a resaltar es que utiliza un único identificador de conjunto denominado SSID y que trabaja en el modo de infraestructura.
Así mismo, se cuenta con los servicios independientes (IBSS), los cuales son también conocidos como redes Punto a Punto (Peer-to-Peer), que pueden tener cuantos miembros sean necesarios y no existe un dispositivo central que controle las comunicaciones.
Por otra parte, los sistemas de distribución o DS, son los equipos que habilitan el soporte a dispositivos móviles proporcionando a su vez los servicios necesarios para el direccionamiento de los mismos y el mapeo de la ruta para llegar a ellos. Los datos se mueven desde un BSS hasta un DS a través de los puntos de acceso, ya que en la arquitectura los puntos de acceso son en realidad estaciones, por lo cual pueden ser direccionables.
Finalmente, los servicios extendidos o ESS son, de acuerdo con el mismo autor, un conjunto de BSS conectados a través de un DS común, lo cual permite crear redes inalámbricas de gran tamaño. Las estaciones dentro de un BSS pueden comunicarse entre ellas, pero a su vez, los sistemas de ESS permiten que las estaciones puedan desplazarse desde un BSS a otro.
Habiendo definido la interconexión sobre la arquitectura lógica de una red inalámbrica se procede a explicar los tipos de topologías existentes:
Figura 8. Topologías de Redes Inalámbicras Fuente: www.netacad.com (2009).
(A) AD-HOC
Para Buettrich (2007, p.25), el modo ad-hoc, es también conocido como punto a punto, y es un método para que los clientes inalámbricos puedan
establecer comunicaciones directas entre sí. Al permitir que los clientes inalámbricos operen en modo ad-hoc, no es necesario involucrar un punto de acceso central. Todos los nodos de una red ad-hoc se pueden comunicar directamente con otros clientes.
Según Mercado, Figueroa y Chan Ye (2010, p.105), una red “ad-hoc”, consiste en un grupo de ordenadores que se comunican cada uno directamente con los otros a través de las señales de radio si usar un punto de acceso. Las configuraciones “ad-hoc”, son comunicaciones de tipo punto a punto. Solamente los ordenadores dentro de un rango de transmisión definido pueden comunicarse entre ellos. La tecnología es utilizada en varios campos como en el ejército, celulares y juegos de videos. En fin, en la tecnología “ad-hoc”, cada terminal de comunicación se comunica con sus compañeros para hacer una red “peer to peer”.
Los autores anteriormente citados expresan, que las redes ad-hoc funcionan sin un punto de acceso central que las regule, esto quiere decir que los clientes pueden establecer una comunicación directa entre sí configurando ciertos parámetros de conexión, como por ejemplo, el adaptador inalámbrico del dispositivo.
(B) INFRAESTRUCTURA
Según Pellejero, Andreu y Lesta (2006, p.9)esta permite la conexión de las estaciones inalámbricas o dispositivos de usuario de un punto de acceso que es quien gestiona las conexiones. Las estaciones inalámbricas envían
los paquetes al punto de acceso. La mayor parte de las estaciones inalámbricas puedes funcionar en estos modos.
De la misma manera, Buettrich (2007, p.30) expone, “contrario al modo ad hoc donde no hay un elemento central, en el modo de infraestructura hay un elemento de coordinación: un punto de acceso o estación base”. Si el punto de acceso se conecta a una red Ethernet cableada, los clientes inalámbricos pueden acceder a la red fija a través de dicho punto de acceso.
Para interconectar muchos puntos de acceso y clientes inalámbricos, todos deben configurarse con el mismo SSID.
Se puede concluir que, ambos autores coinciden en que la topología de infraestructura se caracteriza por tener un punto de acceso central que es el que coordina o regula a los usuarios que estén dentro de la red para así brindarles el servicio de conexión. A su vez, dentro de éste tipo de topología podemos encontrar diferentes subdivisiones de la misma, entre ellas se tiene:
1. ESTRELLA
Según Buettrich (2007, p.36), la topología de estrella es por mucho, la infraestructura más común en las redes inalámbricas, más usadas para las tecnologías comercialmente conocidas. Es la tecnología típicamente usada para un “hot-spot” (punto de conexión a Internet), por ejemplo en aeropuertos o telecentros.
Figura 9. Topología Tipo Estrella.
Fuente: Forouzan (2014).
2. PUNTO A PUNTO (PTP)
De acuerdo a Buettrich (2007, p.42), los enlaces punto a punto son un elemento estándar de la infraestructura inalámbrica. A nivel de topología estos pueden ser parte de una topología de estrella, así como una simple línea entre dos puntos u otra topología independiente. Esta es una de las formas de interconexión más comunes y usadas para establecer enlaces dedicados.
Figura 10. Topología punto a punto.
Fuente: Forouzan (2014).
3. REPETIDORES
Según Buettrich (2007, p.50), el uso de repetidores se hace necesario cuando existen obstrucciones en la línea de vista directa o hay una distancia muy larga para un solo enlace. En una red cableada, el dispositivo equivalente a un repetidor inalámbrico es un concentrador (Hub).
La unidad repetidora puede consistir en uno o dos dispositivos físicos y tener uno o dos radios. Un repetidor también puede ser visto como un cliente que cumple funciones de receptor y al mismo tiempo posee un punto de acceso de retransmisión. Normalmente, el SSID debería ser el mismo para las tres unidades. A menudo, además del SSID, el repetidor está enlazado a una dirección MAC.
4. MALLA
Según Buettrich (2007, p.32), la topología de malla es una opción interesante principalmente en ambientes urbanos, aunque también puede usarse en áreas remotas en donde es difícil implementar una infraestructura central.
Una red en malla es una red que emplea una de las dos distribuciones de conexión: topología de malla completa o de malla parcial. En la topología de malla completa, cada uno de los nodos se conecta directamente con todos los demás. En la topología de malla parcial, los nodos se conectan sólo a algunos de los otros nodos pero no a todos.
Figura 11. Topología tipo Malla.
Fuente: Forouzan (2014).
2.3.1.2 ESTÁNDARES
El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, mejor conocido como IEEE por sus siglas en inglés, es una asociación técnico-profesional mundial dedicada, entre otras cosas, a la estandarización. De esta manera la IEEE a través del Comité 802, definió los estándares de redes de área local (LAN) en sus diferentes variantes, teniendo así el Grupo de Trabajo 802.11 encargado de definir los estándares para las redes inalámbricas, mayormente conocidas como Wi-Fi; y el Grupo de Trabajo 802.16 encargado de los estándares para el acceso inalámbrico de banda ancha, también conocido como WiMAX.
A continuación, se describen cada uno de los estándares tomando como base el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) y a su vez respaldándolo con las investigaciones publicadas por Stallings (2004).
(A) ESTÁNDARES PARA WLAN (WI-FI)
La capa física del estándar IEEE 802.11 se encuentra definida mediante cuatro etapas de desarrollo. En 1997 se publica la primera, seguidas de dos partes publicadas en el año 1999, siendo en el año 2002 la publicación más reciente. La primera de las etapas fue llamada IEEE 802.11 y la misma incluía la capa MAC junto con parámetros y especificaciones de la capa física, dos de la banda de los 2,4GHz y
una en los infrarrojos, cada una de ellas operando a velocidades entre 1 y 2Mbps.
Posteriormente, se dio el surgimiento del estándar IEEE 802.11a el cual funciona en la banda de los 5GHz a velocidades de datos de hasta 54Mbps. El IEEE 802.11b funciona en la banda de los 2,4GHz, sin embargo es capaz de manejar velocidades de 5,5 y 11Mbps.
Finalmente, el IEEE 802.11g amplía la norma dada en anteriormente y permite que se trabaje a velocidades de datos mucho más altas, con velocidad máxima de 54Mbps utilizando la banda de los 2,4GHz, siendo éste estándar similar al IEEE 802.11a y siendo compatible con dicho estándar y el IEEE 802.11b.
Imagen 1. Logotipo de tecnología WLAN (Wi-Fi).
Fuente: IEEE (2008).
1. IEEE 802.11a
La especificación IEEE 802.11a hace uso de la banda de los 5GHz.
Opuesto al caso de las especificaciones que trabajan en la banda de los 2,4GHZ; en IEEE 802.11a no se emplea un esquema de espectro expandido, sino una multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Esta OFDM, también
conocida como modulación multi-portadora, utiliza varias señales portadoras con frecuencias diferentes, enviando algunos de los bits totales por cada canal. Así pues se maneja un esquema similar al FDM, sin embargo para el caso de las frecuencias ortogonales todos los subcanales están dedicados a una única fuente de datos.
Las velocidades de datos que puede alcanzar el estándar IEEE 802.11a son 6, 9, 12, 18, 24, 48 y 54Mbps. El sistema utiliza hasta 52 sub-portadoras que se modulan usando BPSK, QPSK, QAM – 16 o QAM – 64, en función de la velocidad que se necesite. El espaciado de las frecuencias subportadoras
es de 0,3125MHz.
Esta versión es más actualizada, más grande, mejor y más rápida que el estándar 802.11b (también llamada Wi-Fi), la cual actualmente está siendo instalada en oficinas, aeropuertos, cafés, entre otros. Muchas laptops en la actualidad vienen con el estándar 802.11b integrado en el hardware del equipo. La misma tiene una gran proyección comercial y es la que generalmente usamos en la cotidianidad.
2. IEEE 802.11b
Aunque el estándar tiene el prefijo “b”, no es la continuación del 802.11a, de hecho, su estándar se aprobó primero y apareció primero en el mercado. Es una extensión del esquema IEEE 802.11 DS-SS (Espectro Expandido de Secuencia Directa) el cual proporciona velocidades de transmisión de datos de 1, 2, 5,5 y 11Mbps en la banda de frecuencias de
2.4GHz. Este estándar es el más usado en la actualidad en las redes inalámbricas de área local (WLAN), y se encuentra en la mayoría de las oficinas, en aeropuertos, cafeterías, hoteles y hogares al igual que el IEEE 802.11a.
3. IEEE 802.11g
Es una extensión de IEEE 802.11b que cuenta con una mayor velocidad. Este esquema combina toda una gama de técnicas de codificación del medio físico usadas en 802.11a y 802.11b, pudiendo así brindar tasas de transmisión de datos por encima de 54Mbps en el espectro de los 2,4GHz; los esquemas de modulación de dicho estándar son CCK, usado en 802.11b y OFDM utilizado en 802.11a. El estándar IEEE 802.11g es muy importante ya que 802.11a y 802.11b son incompatibles entre sí, pero los dispositivos 802.11g trabajan con los equipos de los estándares anteriormente mencionados.
(B) ESTÁNDARES PARA WIMAX
La norma para la Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas, conocido como WiMAX por sus siglas en inglés, es una solución para Acceso Inalámbrico de Banda Ancha (BWA, Broadband Wireless Access); que está basada en las recomendaciones de los estándares dictados por la IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) y el Instituto Europeo de Estándares de Telecomunicaciones.
Maneja dos estándares comerciales, el primero IEEE 802.16, lanzado en el año 2001 siendo conocido como una especificación estándar llamada Wireless Local Loop (WLL), enfocado en frecuencias en el rango de 10 a 66GHz; y una actualización del mismo nombrado estándar 802.16a.
Imagen 2. Logotipo de tecnología WiMAX.
Fuente: IEEE (2008).
1. IEEE 802.16a
Es lanzado como una extensión del estándar 802.16, se encuentra basado en el Servicio de Distribución Multipunto por Microondas (MMDS, Microwave Multipoint Distribution Service) y en el sistema Europeo HiperMAN.
El estándar 802.16a opera en el rango de 2 a 11GHz, incluyendo ambas, licencias y licencia de bandas exentas. Este estándar se encuentra diseñado para topologías tanto de punto a punto como de punto a multipunto, y usualmente requiere una línea de vista.
2.4. ANTENAS
El Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica (1983, IEEE Std. 145), abreviado como IEEE, define una antena como esa parte de un sistema
transmisor o receptor específicamente diseñada para radiar o recibir ondas electromagnéticas.
De acuerdo a Cardama (2004, p.15), las antenas tienen dos misiones básicas, transmitir y recibir, en donde cada aplicación necesita de condiciones particulares sobre la direccionalidad de la antena, niveles de potencia que ésta soporta, frecuencia de trabajo, así como otros parámetros.
Todo esto da origen a un gran número de tipos de antenas.
Por su parte, Tomasi (2003, p.371) afirma que una antena es un sistema conductor metálico que es capaz de radiar y capturar ondas electromagnéticas, ellas se necesitan al momento de conectar las líneas de transmisión con el espacio libre o éste a las líneas de transmisión o ambas cosas cuando las distancias son largas.
De acuerdo con lo anteriormente expuesto, las antenas se pueden definir como un sistema, el cual está hecho con un material conductor, capaz de transmitir y recibir ondas electromagnéticas, y se usan para la transmisión a cualquier distancia a través del espectro.
2.4.1. CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS
Las características de una antena dependen de la relación entre sus dimensiones y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida, debido a esto, se determinan las consideraciones a tomar en cuenta al momento de escoger una antena específica para su aplicación. A continuación se presentan las más importantes.
2.4.1.1. PATRÓN DE RADIACIÓN
Según Anguera y Pérez (2008, p.38), un patrón o diagrama de radiación es una representación gráfica de las propiedades de radiación de la antena, esto en función de las diferentes direcciones, sistema de coordenadas esférico y del espacio a una distancia física. Con una antena en el origen, y manteniendo una distancia constante, el campo eléctrico se representa con las variables angulares de θ y φ. El patrón de radiación tiene relevancia en la zona donde la forma de éste es invariante en función de la distancia.
De acuerdo a Cardama (2004, p.20), el patrón de radiación específica las propiedades de radiación de la antena de manera gráfica, empleando un sistema de coordenadas esféricas, en función de las distintas direcciones del espacio, hasta una distancia fija. Cabe acotar que, este patrón o diagrama se puede representar en forma tridimensional utilizando diversas técnicas gráficas.
Por otro lado, Tomasi (2003, p.373) determina que éste es un diagrama, o gráfica polar, que representa intensidades de campo o densidades de potencia, las mismas dadas en diversas posiciones en relación con una antena.
De acuerdo a los autores, el patrón de radiación, también llamado diagrama, es una representación gráfica de todas aquellas propiedades de radiación de una antena, representado en el sistema de coordenadas esférico o polar. Esta gráfica se realiza desde una distancia constante, en
donde el campo eléctrico es representado por θ y φ.
Figura 12. Patrón de Radiación de una Antena Fuente: Butler (2013).
2.4.1.2. GANANCIA
Para Tomasi (2003, p. 377) existen dos ganancias distintas, la directiva y la de potencia, en donde ambas se malentienden como frecuencias, lo cual ocasiona el mal uso de estos términos. La ganancia directiva, es la relación existente entre la densidad de potencia irradiada, en una dirección particular, entre la densidad de potencia irradiada al mismo punto por una antena de referencia, suponiendo que ambas antenas estén radiando la misma potencia. A la ganancia directiva máxima se le llama directividad.
La ganancia de potencia, por otro lado, continúa el autor, es igual a la ganancia directiva, con la diferencia que en ésta se usa la potencia total alimentada de la antena, es decir, se toma en cuenta la eficiencia de la antena. Aquí se supone que la antena dada y la antena de referencia no tienen pérdidas, de ser así, se dice que la antena irradia la totalidad de la potencia de entrada, y la ganancia de potencia es igual a la ganancia directiva.
Los autores, Anguera y Pérez (2008, p.43) afirman que, la ganancia pone a manifiesto el hecho de que una antena en la vida real, es decir, no la simulación de la misma, no radia toda la potencia que se le suministra, ya que parte de esta se disipa en forma de calor.
Por último se tiene a Cardama (2004, p. 18), el cual define que una de las características fundamentales de una antena es su capacidad para radiar con cierta direccionalidad, es decir, concentrar la energía radiada en ciertas direcciones del espacio.
Mediante lo expuesto por los autores se puede concluir que, la ganancia determina la capacidad que tiene una antena al momento de radiar energía, en donde, usualmente, se pierde parte de ésta ya que es disipada en forma de calor.
2.4.1.3. DIRECTIVIDAD
Primeramente, Anguera y Pérez (2008, p.38) definen la directividad como la relación existente entre la densidad de potencia radiada en una dirección, a una distancia determinada, y la densidad de potencia que radiaría a esta misma distancia una antena isotrópica, que radiase la misma potencia que la antena transmisora.
Por su lado, Tomasi (2003, p.377) determina la directividad como la relación de la densidad de potencia irradiada en una dirección particular, entre la densidad de potencia irradiada al mismo punto por una antena de referencia, que en general es una antena isotrópica, en donde se supone
que ambas antenas irradian la misma cantidad de potencia.
Según Cardama (2004, p. 22), la directividad de una antena se define como la relación que hay entre la densidad de potencia radiada en una dirección dada, y la densidad de potencia que radiaría a esa misma distancia una antena isotrópica, que radiase la misma potencia que la antena original.
De acuerdo a la teoría antes expuesta se puede determinar que los autores citados concuerdan que, la directividad es una relación existente entre la densidad de potencia radiada en una dirección por una antena, a una distancia, y la densidad de potencia que radiaría a la misma distancia una antena isotrópica, se usa como referencia ésta antena ya que es considerada una antena de ideal.
Figura 13. Ecuación de ganancia directiva.
Fuente: Tomasi (2003).
2.4.1.4. POLARIZACIÓN
De acuerdo a Cardama (2004, p.24), la polarización de una antena en una dirección es la de la onda radiada por ella en esa dirección, es una indicación de la orientación del vector de campo en un punto fijo de un espacio determinado, en un periodo de tiempo.
Por su parte, Tomasi (2003, p.382) establece que la polarización,
no es más que la orientación del campo eléctrico que se irradia de una antena, efectuado el mismo en una dirección determinada, ésta haciendo que el diagrama de radiación pueda variar.
Por último, Anguera y Pérez (2008, p.44) dicen que la polarización se define como la dirección en la cual, la antena radia el máximo de potencia.
Cabe destacar que la polarización de la antena radiada varía con la dirección respecto al centro de la antena, esto hace que en un diagrama de radiación pueden haber tres tipos de polarizaciones, las cuales son: lineales, circulares y elípticas.
En base a lo expuesto anteriormente, la polarización se entiende entonces, como la dirección en la cual una antena irradia el campo eléctrico, y varía ya que se toma en cuenta el centro de la antena, lo cual ocasiona que la polarización se dé de tres maneras diferentes: de forma lineal, circular y elíptica.
2.4.1.5 ANCHO DE BANDA
Los autores Anguera y Pérez (2008, p.66), definen al ancho de banda como el margen frecuencial al que la antena está adaptada, con una relación de onda estacionaria, definida como ROE, menor a un valor fijado con anterioridad.
Por su lado, Tomasi (2003, p.383), establece que el ancho de banda de una antena es dado por las frecuencias que la misma maneja, y éste normalmente se expresa como porcentaje de la frecuencia de operación.
Así mismo, Cardama (2004, p.25) refiere que las antenas, debido a su geometría finita, están limitadas a operar en un margen de frecuencias, especificado como la relación entre el margen de frecuencias en que se cumplen las especificaciones y la frecuencia central.
Se puede decir entonces que, el ancho de banda de una antena está dado en forma porcentual y éste se determina como la resta entre la frecuencia máxima y mínima, dividido entre la frecuencia central. Este valor es el que representa un intervalo de frecuencias, el cual representa el funcionamiento satisfactorio de la antena. Cabe destacar, que hay una frecuencia en ese rango que es la principal.
Figura 14. Ecuación de Ancho de Banda.
Fuente: Anguera y Pérez (2008).
2.4.1.6. ACOPLAMIENTO
La impedancia de entrada, de acuerdo a Cardama (2004, p.18), es un parámetro de gran transcendencia, ya que condiciona las tensiones de los generadores, los cuales se deben aplicar para obtener determinados valores de corriente en la antena y, como consecuencia, una determinada potencia radiada.
Por otro lado, Anguera y Pérez (2008, p.30) expresan que toda antena
presenta una impedancia de entrada, ésta no es más que la relación entre la tensión y la corriente presente en la entrada. Esta impedancia tiene una parte real y otra imaginaria, en donde ambas dependen de la frecuencia.
Por último, aseguran que la impedancia del punto de alimentación, hasta de las antenas más simples, varía considerablemente con la presencia de otros objetos conductores cercanos y se dice, en tal caso, que la antena se acopla con dichos objetos.
Mediante lo expuesto por los autores, se puede decir que, las antenas tienen la capacidad de acoplarse al medio o a los objetos que tienen a su alrededor, es decir, tiene la posibilidad de adaptarse al medio en el que se encuentran. De tal modo, la impedancia de entrada característica de las mismas, puede variar dependiendo de estos elementos, así como puede ser manipulada.
2.4.1.7. PARÁMETRO DE DIFRACCIÓN
De acuerdo a Anguera y Pérez (2008, p. 45), el patrón o parámetro de difracción del campo eléctrico en un punto (x, y, z) está dado por:
Figura 15. Ecuación Parámetro de Difracción.
Fuente: Anguera y Pérez (2008).
Además, los autores agregan que la solución analítica de esta integral es imposible excepto para las geometrías de difracción más simples. Por lo tanto esta integral se deberá, para otros casos, calcular numéricamente. A su vez, los autores comentan que Fresnel sacó su propia teoría, donde se modificó un poco este parámetro ya que se basó en:
Figura 16. Geometría de la Difracción.
Fuente: Anguera y Pérez (2008).
Figura 17. Ecuación de la difracción de Fresnel.
Fuente: Anguera y Pérez (2008).
Por otro lado, LabVolt (2016), extiende este concepto ya que manifiesta que una analogía útil para calcular con precisión las características de las antenas de placa rectangular, consiste en comparar la antena de placa de la figura (izquierda), con una antena guía de ondas de dos ranuras (derecha).
Figura 18. Antena de Placa y Antena de Guía de Ondas de dos Ranuras.
Fuente: LabVolt (2016).
Como la antena guía de ondas de dos ranuras de la figura es, básicamente, equivalente a la antena de placa, los diagramas de radiación de ambas antenas serán iguales. A fin de comprender dicho diagrama de la antena de guía de ondas de dos ranuras, es importante recordar que la distancia b se eligió para que los campos eléctricos radiados por las dos ranuras estén en fase.
Luego, la situación pasa a ser como lo ilustra la figura. En cualquier punto del eje y, la distancia a cada ranura es idéntica. Por lo tanto, los campos provenientes de ambas ranuras se suman en fase en el campo lejano, entregando la radiación máxima. En otras direcciones, las distancias a partir de esas dos ranuras no son iguales debido a que la adición de los campos no se hace perfectamente en fase. Por esta razón, el diagrama de radiación presentará un lóbulo principal con un máximo en la dirección eje y.
Figura 19. Diagrama de Radiación de Campo Lejano para Plano E en Placa Rectangular.
Fuente: LabVolt (2016).
La Figura 18 muestra la representación tridimensional de una ranura.
Los ejes y los ángulos de esta figura sirven como referencia para las ecuaciones subsiguientes. Las dimensiones a y b corresponden al ancho a y largo b de la placa de la figura 17. El ancho h de la ranura de la figura anterior representa el espesor del substrato que separa la placa del plano de tierra. El diagrama de radiación según el plano E de ambas ranuras excitadas en fase con iguales amplitudes viene dado por la ecuación.
También es importante saber que, cuando se selecciona un material para proteger o reforzar una antena, se debe tener en cuenta la constante dieléctrica de dicho material, su tangente de pérdida en función de la frecuencia y su densidad. La elección del material se debe hacer de manera que asegure un rendimiento óptimo y una protección adecuada.
Figura 20. Constantes dieléctricas de diferentes materiales.
Fuente: LabVolt (2016).
Cabe destacar que, en ciertos casos las reflexiones pueden modificar el comportamiento del material protector. Dependiendo de la distancia entre dicho material y la antena, las reflexiones pueden ocurrir de tal manera que la señal recibida resulte parcialmente anulada o amplificada, de acuerdo con las fases relativas de la señal y las reflexiones.
2.4.2. TIPOS DE ANTENAS
La selección de la antena más adecuada es un compromiso en el cual influye una gran cantidad de factores, entre los que destaca la aplicación que se le quiera dar a ésta. En este sentido las más usadas comercialmente se describen a continuación:
2.4.2.1. ANTENAS DIPOLO
De acuerdo a Anguera y Pérez (2008, p.105), su forma más común es la de un conductor eléctrico recto, que tiene una sección circular y está cortado en algún punto intermedio para permitir la conexión al generador.
Acota que, un dipolo es simétrico cuando sus dos brazos tienen la misma longitud, y es asimétrico cuando estos tienen longitudes diferentes.
Así pues, de acuerdo a la teoría consultada con anterioridad se puede decir que las antenas dipolo, consisten en dos elementos conductores rectilíneos co-lineales de igual o distinta longitud, siendo alimentados en el centro. Es importante destacar sin embargo, que son el tipo de antena más sencilla de manera teórica y son las más utilizadas al momento de realizar pruebas; por lo cual puede verse una gran variedad de ellas ser usadas en muchos de los servicios comerciales de hoy en día.
2.4.2.2. ANTENAS YAGI
Los autores, Anguera y Pérez (2008, p.257) afirman que este tipo de antena consiste en un elemento excitado, el cual suele ser un dipolo, un reflector y varios elementos parásitos o directores, situados frente a dicho elemento. Esta antena radia de manera semejante a un dipolo con reflector, aunque, dependiendo del número de elementos, su ganancia es mayor.
De igual forma, determinan que una antena Yagi se puede combinar junto con otros elementos parásitos, es decir, elementos que no se excitan
directamente sino que están acoplados electromagnéticamente al elemento alimentado.
Esta antena tiene una estructura semejante al de las antenas dipolo, en donde las Yagi se pueden combinar con elementos parásitos como un reflector para que, de esta forma, se obtenga una antena de muy alto rendimiento.
Imagen 3. Antena Yagi-Uda.
Fuente: Butler (2013).
2.4.2.3. ANTENAS PANEL PLANO
De acuerdo a Butler (2013, p.83), estas antenas son paneles sólidos utilizados para una cobertura de interiores, con una ganancia de hasta 20dB (decibeles). Además, ésta se puede combinar con varios elementos, los cuales alimentados con la fase apropiada, pueden aumentar su ganancia.
Además, esta antena tiene un menor impacto visual.
Por otro lado, los autores Anguera y Pérez (2008, p.110) están de acuerdo en que las antenas panel plano, también llamadas antenas patch, son un tipo específico de antenas formadas por la unión de una serie de elementos individuales, en donde, dependiendo de la unión que se haga, se
puede construir una antena con una ganancia mayor. Además, estas antenas tienen como ventaja su reducido tamaño.
2.4.2.4. ANTENAS PARABÓLICAS
Para el autor Tomasi (2003, p.401), una antena parabólica está constituida en dos partes principales: un reflector parabólico y el elemento activo denominado mecanismo de alimentación; el cual, en esencia, encierra la antena primaria, que usualmente es un dipolo o una red de dipolos
El autor continúa diciendo que, por último, la antena irradia ondas electromagnéticas hacia un reflector, éste es un dispositivo pasivo que solo refleja la energía que llega al mecanismo de alimentación.
Acota que, este tipo de antenas proporciona una ganancia y directividad extremadamente alta, y son muy usadas en los enlaces de comunicaciones por radio y satélite.
Por último, según Butler (2013, p.80), este es el tipo de antena directiva más común cuando se requiere una gran ganancia, ya que su ventaja principal es que se pueden construir en base a la directividad y la ganancia requerida. Lo malo es que éstas están predispuestas a sufrir por los efectos del viento.
En base a lo estipulado por los autores previamente citados, se puede decir que, aunque las antenas parabólicas tengan problemas con los efectos exteriores, éstas tienen más ventajas que desventajas, ya que ellas pueden diseñarse en base a lo que se necesite al
momento de su instalación, como es el caso de su directividad y ganancia. Las mismas están hechas por un material, como el aluminio, el cual refleja la onda electromagnética, y por último, tiene un elemento radiante ubicado en su foco en donde se concentra toda la onda recibida.
Imagen 4. Antena Parabólica.
Fuente: Butler (2013).
2.4.2.5. ANTENAS MULTIBANDA
De acuerdo con Butler (2013, pag.95), lo que distingue a las antenas multibanda de las demás es su capacidad de abarcar el mayor espectro posible, esto debido a que manejan múltiples anchos de banda, es decir, que son capaces de trabajar con diversas frecuencias.
Por otro lado, los autores Anguera y Pérez (2008, p.324), estipulan que, las antenas multibanda tienen una característica muy particular, que es que éstas pueden funcionar en diferentes frecuencias
