Metodología de diseño del sistema inalámbrico para la OBE provincial Camagüey

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Metodología de diseño del sistema inalámbrico para la OBE provincial Camagüey”. Autor: Joyce Sariol Ramos Tutor: Ing. Juan J. Duarte Castañeda Co-Tutor: MSc. David Beltrán Casanova. Santa Clara Curso 2007 - 2008 "Año 50 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Metodología de diseño del sistema inalámbrico para la OBE provincial Camagüey” Autor: Joyce Sariol Ramos Tutor: Ing. Juan J. Duarte Castañeda Especialista Principal Comunicaciones OBE Provincial Camagüey e-mail: [email protected]. Co-tutor: David Beltrán Casanova Prof. Dpto. de Telecomunicaciones y Electrónica Facultad de Ing. Eléctrica. UCLV e-mail: [email protected] Santa Clara Curso 2007 - 2008 "Año 50 de la Revolución”.

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(4) 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.

(5) i. PENSAMIENTO. “Saberse sacrificar es el precio del éxito durable en todo.” José Martí.

(6) ii. DEDICATORIA. A mis queridos padres, A mis abuelos, A mi familia..

(7) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres por el amor que me han brindado en todo momento, A mis tutores por su imprescindible ayuda y dedicación, A mis abuelos, mi hermano, mi familia, mi novia y su familia por el gran apoyo y colaboración que me han dado para hacer posible este trabajo..

(8) iv. TAREAS TÉCNICAS. 1. Hacer un estudio previo sobre las novedosas tecnologías aplicadas en los sistemas inalámbricos. 2. Investigar sobre los estándares que rigen la implementación de sistemas inalámbricos en el mundo. 3. Consultar la resolución dictada por el MIC (Ministerio de Informática y las Comunicaciones) para los enlaces inalámbricos por microondas. 4. Hacer un estudio topográfico del territorio para determinar los lugares más favorables para la instalación de los equipos inalámbricos. 5. Crear la metodología para el diseño de enlaces inalámbricos y comprobar el método a través de un ejemplo.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(9) v. RESUMEN. Tras el aumento de las inversiones y la construcción de nuevas unidades generadoras y administrativas, como parte de Revolución Energética para mejorar el Sistema Electroenergético Nacional (SEN), se hizo necesario reforzar las comunicaciones en este sector. Este trabajo presenta una metodología para el diseño de enlaces inalámbricos por microondas para transmisión de voz, datos y automática, lo cual se implementaría luego como parte del proyecto de comunicaciones. Para la realización del trabajo se revisó bibliografía actualizada sobre el tema, se analizó las características topográficas del territorio y se calculó uno de los enlaces, como ejemplo para demostrar que el método utilizado es correcto. Posteriormente se aplicó el cálculo a los demás enlaces con los cuales se obtuvieron resultados favorables..

(10) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREAS TÉCNICAS ...........................................................................................................iv RESUMEN .............................................................................................................................v INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................1 CAPÍTULO 1.. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.............................5. 1.1 Generalidades.................................................................................................................5 1.1.1 Conceptos esenciales ............................................................................................5 1.1.2 Banda ancha..........................................................................................................6 1.1.3 Ventajas de las redes inalámbricas de banda ancha..............................................6 1.2 Topologías de los sistemas inalámbricos.......................................................................7 1.2.1 Conexiones punto a punto.....................................................................................8 1.2.2 Conexiones punto a multipunto ............................................................................8 1.2.3 Conexiones de malla.............................................................................................8 1.3 El espectro electromagnético .........................................................................................9 Bandas de frecuencias...................................................................................................10.

(11) vii 1.4 Tecnologías de radio en redes WLAN.........................................................................12 Espectro extendido por salto de frecuencia (FHSS) .....................................................12 Espectro extendido por secuencia directa (DSSS)........................................................14 Multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM)....................................15 1.5 Seguridad en las redes inalámbricas ............................................................................17 1.6 Estándares inalámbricos ..............................................................................................20 1.6.1 Estándares IEEE 802.11 - WiFi ..........................................................................20 1.6.2 Extensiones de los estándares inalámbricos IEEE 802.11..................................21 1.6.3 Estándares inalámbricos IEEE802.16 – WiMAX...............................................22 1.6.4 Diferencias entre WiMAX y WiFi......................................................................24 CAPÍTULO 2.. RADIO PROPAGACIÓN Y PARÁMETROS DE LOS ENLACES. INALÁMBRICOS ....................................................................................................25 2.1 Definiciones y conceptos .............................................................................................25 2.1.1 Formas de propagación de las ondas de radio ....................................................25 2.1.2 Zonas de Fresnel .................................................................................................27 2.1.3 Línea de vista ......................................................................................................28 2.2 Mecanismos de propagación........................................................................................30 2.2.1 Reflexión, refracción y absorción.......................................................................30 2.2.2 Difracción ...........................................................................................................32 2.2.3 Dispersión ...........................................................................................................33 2.3 Interferencia, ruido y distorsión...................................................................................33 2.3.1 Interferencia ........................................................................................................33 2.3.2 Ruido...................................................................................................................34 2.3.3 Distorsión............................................................................................................34 2.4 Principales parámetros de un sistema inalámbrico ......................................................35.

(12) viii 2.4.1 Pérdidas básicas de propagación en el espacio libre...........................................35 2.4.2 Pérdidas básicas de propagación en un medio cualquiera ..................................36 2.4.3 Potencia en el receptor........................................................................................37 2.4.4 Ganancias de las antenas transmisora y receptora ..............................................37 2.4.5 Sensibilidad del receptor.....................................................................................38 2.4.6 Margen de desvanecimiento ...............................................................................38 2.4.7 Disponibilidad del enlace....................................................................................38 2.4.8 Tiempo probable fuera de servicio .....................................................................42 2.5 Protección y aterramiento de sistemas inalámbricos ...................................................43 CAPÍTULO 3.. METODOLOGÍA DE DISEÑO DEL SISTEMA INALÁMBRICO.......45. 3.1 Situación del problema ................................................................................................45 3.2 Análisis del territorio de la provincia y las localidades ...............................................46 3.3 Servicios.......................................................................................................................48 3.4 Equipamiento ...............................................................................................................48 3.4.1 Datos del VIP 110 – 24.......................................................................................49 3.4.2 Datos del LibraPlus 5845....................................................................................49 3.5 Ejemplo de cálculo de un enlace inalámbrico .............................................................50 3.6 Aterramiento ................................................................................................................54 3.7 Análisis económico......................................................................................................56 CONCLUSIONES ................................................................................................................58 RECOMENDACIONES.......................................................................................................59 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................60 ANEXOS ..............................................................................................................................62 Anexo I. Sistema inalámbrico en el municipio de Camagüey ........................................62.

(13) ix Anexo II Sistema Inalámbrico para los demás municipios.............................................63 Anexo III Tabla de los objetivos a enlazar en el proyecto ...............................................63 Anexo IV Tabla de los servicios que se brindan en cada enlace ......................................65 Anexo V Especificaciones del VIP 110 - 24...................................................................68 Anexo VI Especificaciones del Libra Plus 5845 ..............................................................68 Anexo VII Tabla de cálculo del sistema inalámbrico ........................................................69 Anexo VIII. Tabla de costo del equipamiento a utilizar en el proyecto........................71.

(14) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. El desarrollo de las redes de acceso de banda ancha es una de las necesidades tecnológicas del presente siglo para dar respuesta a la demanda creciente a escala mundial de anchos de bandas cada vez mayores por parte de los clientes. La demanda de servicios de banda ancha, tales como el acceso a Internet a altas velocidades y el video bajo demanda, empuja a las empresas que ofrecen servicios de telecomunicaciones al despliegue de nuevas tecnologías en la última milla, capaces de satisfacer esta demanda. [1] La tecnología inalámbrica es una forma eficiente y en ocasiones económica de resolver la última milla de cualquier proyecto de red que cuente con lugares distantes geográficamente. Se puede ver cómo esta tecnología ha ido evolucionando muy rápidamente en los últimos tiempos, aunque todavía está muy distante de la posibilidad de desplazar a la tecnología alámbrica. Las redes cableadas ofrecen velocidades de transmisión mayores que las logradas por la tecnología inalámbrica. Mientras que las redes inalámbricas actuales ofrecen velocidades de 54 Mbps, las redes cableadas ofrecen velocidades superiores a 1 Gbps. Sin embargo se pueden mezclar las redes cableadas y las inalámbricas, y de esta manera generar una "Red Híbrida" y poder resolver los últimos metros hacia la estación. Las primeras experiencias con redes inalámbricas datan de 1979 cuando científicos de IBM (International Business Machine) en Suiza despliegan la primera red de importancia con tecnología infrarroja. No es hasta 1985 cuando se comienzan los desarrollos comerciales de redes con esta filosofía, momento en el que el órgano regulador del espectro radioeléctrico americano, la FCC (Federal Communication Comission), asigna un conjunto de estrechas bandas de frecuencia para libre uso en las bandas de los 2,4 y los 5 GHz. Inmediatamente, la asociación de ingenieros electrónicos, IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos), designa una comisión de trabajo para desarrollar una tecnología de red en dichas bandas: la 802.11. A partir de ese momento se liberan una serie de estándares que.

(15) INTRODUCCIÓN. 2. rigen y controlan la implementación y explotación de las redes inalámbricas. Las ventajas de las redes en estos rangos de frecuencias son claras: no requieren licencias ni permisos para su despliegue y pueden ser implantadas en cualquier ubicación. Nuestro país no escapa a este fenómeno. Varios sectores de nuestra sociedad demandan cada día conexiones a mayores anchos de banda, así como servicios de banda ancha, limitados hoy por la carencia de la infraestructura de acceso necesaria. La sociedad cubana vive además un proceso de informatización, necesario para la modernización de la gestión del gobierno y el desarrollo de la educación y la salud pública, por lo que se prevé un crecimiento en la demanda de ancho de banda en los próximos años.[1] Una de las estrategias de la Revolución Energética que se lleva a cabo en nuestro país es la alternativa de generación distribuida. La construcción y ensamblaje de nuevas unidades generadoras y administrativas en distintos lugares del país ha obligado a la UNE (Unión Nacional Eléctrica) a buscar soluciones de comunicación entre los mismos, el despacho nacional y los despachos provinciales. Además, la UNE como máximo dirigente de esta esfera en el país estableció la ley de que deben de existir al menos dos vías de comunicación independiente entre cada una de sus dependencias y el despacho nacional y/o el despacho provincial correspondiente. Como. soluciones. primarias. se. ha. negociado. con. ETECSA. (Empresa. de. Telecomunicaciones de Cuba S.A.) líneas dedicadas de datos o vía celular, la comunicación de voz se hace a través de líneas telefónicas conmutadas, dedicadas o celulares y en los casos que ETECSA no pueda dar algunos de estos servicios se han instalado equipos trunking de la empresa Movitel S. A., para la comunicación de voz y/o datos. Como segunda vía se hace necesaria la creación de una infraestructura potente y capaz de cubrir todas las necesidades existentes. El despacho de la Organización Básica Eléctrica (OBE) de la provincia de Camagüey debe mantener comunicación ininterrumpida y con una elevada calidad de servicio (QoS) con las Centrales Termoeléctricas, Grupos Electrógenos Fuel, Grupos Electrógenos Diesel,.

(16) INTRODUCCIÓN. 3. Subestaciones y OBEs municipales. Este trabajo está orientado a diseñar un sistema de comunicaciones basado en equipos inalámbricos por microonda para enlazar las unidades localizadas en todo el territorio de la provincia con el despacho provincial, en cuyos enlaces es necesaria la transmisión de información de voz datos y automática de alta calidad. Objetivo general: Crear una metodología de diseño de enlaces inalámbricos por microondas para transmisión de voz, datos y automática entre las instalaciones de la OBE y el despacho provincial o las instalaciones de la OBE y las subestaciones donde llegue comunicación por fibra óptica. Objetivos específicos: •. Adquirir información suficiente sobre el equipamiento seleccionado por los directivos de la UNE para el montaje del sistema.. •. Garantizar el ancho de banda necesario para la transmisión de los servicios de voz, datos o automática en los diferentes objetivos.. •. Diseñar enlaces inalámbricos punto a multipunto donde las condiciones lo permitan.. •. Diseñar enlaces inalámbricos punto a punto para comunicar los lugares restantes.. •. Establecer las bases para en un futuro poder brindar servicio de correo electrónico e Internet, donde sea necesario.. Para dar cumplimiento a los objetivos de este trabajo se realizó una revisión bibliográfica sobre las tecnologías y estándares aplicados a los sistemas inalámbricos en el mundo, el equipamiento a utilizar en el proyecto y las resoluciones dictadas por el MIC (Ministerio de la Informática y las Comunicaciones). Luego se realizó un estudio topográfico del territorio y el diseño de uno de los enlaces que comprenden el sistema inalámbrico para comprobar si la metodología de diseño utilizada es correcta. Los resultados alcanzados en este trabajo son de vital importancia para el funcionamiento del (SEN) Sistema Electroenergético Nacional y en particular para la OBE provincial Camagüey. Con él ofrece se una alternativa segura para obtener y enviar información a los.

(17) INTRODUCCIÓN. 4. distintos grupos de generación y distribución de electricidad en la provincia, estableciendo una segunda vía de comunicación. Esto conlleva a minimizar la probabilidad de fallas en la comunicación, lo cual sería de gran ayuda para lograr una mayor calidad del servicio eléctrico en nuestra provincia y en el país. Este trabajo consta de tres capítulos. El primero se dedica al estudio de la actualidad sobre los sistemas inalámbricos. En él se dan a conocer algunos conceptos, las ventajas de las redes inalámbricas y se exponen las más novedosas tecnologías y estándares que se aplican a estos sistemas. El segundo capítulo se basa en el estudio de las ondas electromagnéticas; explica los principales fenómenos que influyen en la transmisión de las ondas y los parámetros que las caracterizan, de los cuales dependen los enlaces de radio. En el tercer capítulo se crea la metodología que se recomienda utilizar para el diseño del sistema inalámbrico. Primeramente se hace un análisis de las características del territorio de la provincia, se muestran los servicios necesarios en cada objetivo y las especificaciones del equipamiento. Por último se realiza el diseño de un enlace inalámbrico tomado como ejemplo..

(18) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. CAPÍTULO 1.. 5. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. En estos últimos años el desarrollo de investigaciones orientadas a las telecomunicaciones ha sido considerable. La tendencia a la movilidad hace cada vez más utilizados los sistemas inalámbricos, lo que conlleva a que gran parte de estas investigaciones estén dedicadas a las tecnologías inalámbricas. 1.1. Generalidades. Las comunicaciones de radio, desde sus inicios, ya prometían una elevada posibilidad de explotación, y es recientemente que se ha logrado desarrollar y desplegar los servicios inalámbricos de datos a gran escala. 1.1.1. Conceptos esenciales. Para el entendimiento de este trabajo es importante dominar algunos conceptos como los que se dan a continuación: La comunicación inalámbrica es el tipo de comunicación en el que se utiliza el espacio como medio de propagación para comunicar cada una de las estaciones, utilizando la propagación de ondas electromagnéticas. Un radio enlace se entiende como la comunicación entre estaciones emisoras y receptoras mediante la propagación de ondas electromagnéticas a través del espacio. [2] Una red inalámbrica es una infraestructura de comunicación de forma inalámbrica que permite a dos o más dispositivos informáticos comunicarse entre sí. Una red de esta clase permite que dispositivos de diferentes tipos puedan compartir cualquier recurso que esté conectado a ella sin necesidad de cables [3].

(19) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 1.1.2. 6. Banda ancha. La recomendación I.113 del Sector de Normalización de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT, International Telecommunication Union) define un servicio o sistema de banda ancha como aquel que requiere canales de transmisión capaces de soportar velocidades superiores a la velocidad de acceso primario en las Redes Digitales de Servicio Integrado (ISDN, Integrated Service Digital Network), es decir a velocidades mayores de 1.5 Mbps o 2 Mbps, pero hay quienes prefieren una definición cualitativa para la banda ancha, que se centre más en aspectos subjetivos, que en la velocidad.[4] Las necesidades de acceso de banda ancha están creciendo aceleradamente. La convergencia de voz, datos y video están incrementando la necesidad de una mayor velocidad. Cada día el contenido de las aplicaciones sobre Internet es más rico en facilidades y más intenso en datos. Las nuevas aplicaciones de usuarios están más orientadas a gráficos que a caracteres. Han aparecido aplicaciones de flujos de datos, como la difusión de audio y video que implican una entrega constante de tráfico unidireccional, además de la mensajería instantánea de voz, texto y video. En un principio las únicas tecnologías inalámbricas que existían eran las satelitales y los enlaces de microondas. Es por ello que los proveedores de servicios a Internet brindaban a sus usuarios el acceso a los servicios a través de medios cableados tales como: cobre, cable y fibra óptica, entre otros. Las aplicaciones de banda ancha impusieron la necesidad de buscar nuevas alternativas para satisfacer el gran el número de aplicaciones, con el menor costo posible.. 1.1.3. Ventajas de las redes inalámbricas de banda ancha. Las redes inalámbricas tienen una gran ventaja sobre las redes cableadas y es el hecho de que sólo estas redes pueden soportar la movilidad de los terminales [5]. Además constituye una alternativa exitosa especialmente cuando no existe o es deficiente la infraestructura de cables. Entre las ventajas de las redes inalámbricas [6] se tienen:.

(20) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. •. 7. Bajo costo: Una red de acceso inalámbrica, en general, cuesta menos que una equivalente cableada, ya que su infraestructura es sencilla y no se invierte en obras civiles (postes, zanjas, registros, tendido de cables, etc.).. •. Baja inversión inicial: Se invierte sólo lo estrictamente necesario para desplegar las estaciones bases y un mínimo de equipos de abonados.. •. Rapidez de despliegue: Se despliegan y entran en operación en mucho menos tiempo que las redes cableadas, ya que su infraestructura es incomparablemente mucho más sencilla y las obras a realizar son menores.. •. Crecimiento adaptado a la demanda: Luego del despliegue inicial, el crecimiento se produce a partir de la demanda de los clientes con la instalación de las estaciones de usuarios (CPE, Customer Premises Equipment) de los mismos, sin variar en nada la infraestructura, hasta que el sistema alcanza su plena capacidad de diseño.. •. Bajo costo de mantenimiento: Al no existir planta exterior, los costos de mantenimiento son mucho menores que en los sistemas cableados.. •. Rápida recuperación de la inversión: Proporcionan al operador de la red un rápido retorno de la inversión.. 1.2. Topologías de los sistemas inalámbricos. Los tipos de conexiones son muchas y se pueden combinar entre ellas haciéndolas muy flexibles, las más comunes son las conexiones punto a punto y punto multipunto, también se pueden combinar redes con cableado estructurado y redes inalámbricas..

(21) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 8. 1.2.1 Conexiones punto a punto Las conexiones punto a punto son aquellas en las que dos nodos se comunican entre sí directamente, o sea, están directamente conectados por un enlace [7]. La Figura 1.1 muestra una conexión punto a punto.. Figura. 1.1- Conexión punto a punto.. 1.2.2 Conexiones punto a multipunto Esta opción se conoce como punto multipunto o broadcast, en la cual todos los enlaces de tipo punto a punto comparten un nodo común, donde generalmente se controlan las comunicaciones [7]. Este tipo de conexión se usa con frecuencia como solución para enlazar una matriz y sucursales [8]. Una conexión de este tipo se muestra en la Figura 1.2.. Figura. 1.2- Conexión punto a multipunto.. 1.2.3 Conexiones de malla A esta configuración se le conoce como malla o mesh, la cual permite que cada punto o nodo se conecte a cualquier otro que esté disponible, porque las rutas pueden estar definidas a través de un grupo nodos y enlaces como intermediarios [7]. Esta peculiaridad hace que este tipo de configuración sea muy flexible. En la Figura 1.3 se ilustra una conexión de malla..

(22) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 9. Figura. 1.3- Conexión de malla.. 1.3. El espectro electromagnético. Las. ondas. electromagnéticas. abarcan. un. amplio. rango. de. frecuencias. (y. correspondientemente, de longitudes de onda). Este rango de frecuencias y longitudes de onda es denominado espectro electromagnético. En la Figura 1.4 se clasifican las frecuencias del espectro utilizado para las comunicaciones en diferentes bandas.. Figura. 1.4- Espectro electromagnético.. Ondas de Radio es el término utilizado para la porción del espectro electromagnético en la cual las ondas pueden ser transmitidas aplicando corriente alterna a una antena [9], abarcando el rango de 3 kHz a 300 GHz. Dentro de las frecuencias de radio se encuentra la región de las microondas con valores de 1 GHz a 300 GHz..

(23) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 10. Tabla 1.1- Clasificación en bandas de frecuencias de las ondas de radio.. Banda VLF. Significado. Frecuencia. Frecuencias muy bajas. 3 – 30 kHz. LF. Frecuencias bajas. MF. Frecuencias medias. HF. Frecuencias altas. 30 – 300 kHz 300 – 3000 kHz 3 – 30 MHz. VHF. Frecuencias muy altas. 30 – 300 MHz. UHF. Frecuencias ultra altas. 300 – 3000 MHz. SHF. Frecuencias super altas. 3 – 30 GHz. EHF. Frecuencias extremadamente altas. 30 – 300 GHz. En la Tabla 1.1 se clasifican las bandas de frecuencias utilizadas en las comunicaciones por radio, desde las frecuencias muy bajas hasta las frecuencias extremadamente altas clasificadas en determinados rangos. Bandas de frecuencias En el mundo no solo los operadores de telecomunicaciones licenciados por el gobierno crean redes inalámbricas de área local (WLAN, Wireless Local Area Network). Sin embargo, es importante mencionar que la operación sin licencia significa que los dispositivos no deben causar interferencia perjudicial a otros y que deben aceptar cualquier interferencia recibida. El problema pudo reducirse con el advenimiento de las tecnologías de los 5 GHz, así, estándares como el IEEE 802.11a, el cual se explicará más adelante, fueron adoptados con preferencia y como una mejor alternativa a la ya saturada banda de los 2.4 GHz. Aquellos operadores no licenciados tienen la opción de usar la banda ISM (Industrial-Scientific and Medical radio frequency), en la cual las bandas de frecuencias son entre 902-928 MHz, 2.4-2.484 GHz y 5 725 - 5 825 GHz.. Existen diversas frecuencias adoptadas en la banda de los 2.4 GHz, explotadas por las redes WLAN, en los países europeos, Estados Unidos y Japón, de forma general. Cualquier producto con fines inalámbricos, debe resolver los requisitos funcionales en el país donde.

(24) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 11. es vendido [10]. En la Tabla 1.2 se refleja cómo se ha hecho la distribución de la banda de 2.4 GHz en varias regiones del mundo. Tabla. 1.2- Rangos de frecuencia de operación para la banda de 2.4 GHz.. Internacionalmente, se dispone de bandas de frecuencia en los 5 GHz para los servicios WLAN, las cuales se especifican para determinadas zonas geográficas. Cada país adopta, según sus necesidades y particularidades, limites diferentes dentro de esta banda espectral, con especificaciones estipuladas por sus respectivas organizaciones, encargadas de la asignación y el control de la frecuencia en cada región. [10] En nuestro país se hizo la distribución de las bandas entre 2 y 8 GHz para redes inalámbricas tanto licenciadas y no licenciadas como aparece en la Figura 1.5.. Figura. 1.5- Distribución del espectro electromagnético para frecuencias entre 2 y 8 GHz en Cuba.. El Ministerio de la Informática y las Comunicaciones organizó la banda licenciada de 3.4 a 3.6 GHz dividiéndola en 8 bloques, cada uno de 25 MHz; tomó los cuatro primeros bloques.

(25) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 12. para transmisión de la estación terminal y los cuatro restantes para transmisión de la estación central. (Figura 1.6). Figura. 1.6- Organización del espectro electromagnético para la banda de 3.400 a 3.600 GHZ en Cuba.. 1.4. Tecnologías de radio en redes WLAN. Las primeras tecnologías inalámbricas para equipos de cómputo utilizaban tecnologías de radio de espectro extendido (Spread Spectrum) e infrarroja. La tecnología infrarroja opera en la banda de 300,000 GHz pero su uso es más limitado que el espectro extendido, debido a que una transmisión infrarroja requiere de una línea de vista directa entre las estaciones, que están realizando la transmisión. La tecnología de radio de espectro extendido desarrollada para fines militares, consiste en distribuir las señales de información a través de varias frecuencias. La idea es tomar una señal de banda convencional y distribuir su energía en un dominio más amplio de frecuencia. Así, la densidad promedio de energía es menor que en el espectro equivalente de la señal original. Espectro extendido por salto de frecuencia (FHSS) La tecnología de espectro extendido por salto en frecuencia (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum) consiste en transmitir una parte de la información en una determinada.

(26) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 13. frecuencia durante un intervalo de tiempo llamada tiempo de detención (Dwell Time) e inferior a 400 ms, pasado este tiempo se cambia la frecuencia de emisión y se sigue transmitiendo a otra frecuencia. De esta manera cada tramo de información se va transmitiendo en una frecuencia distinta durante un intervalo muy corto de tiempo. FHSS envía sus transmisiones sobre diferentes portadoras a diferentes tiempos. La portadora de FHSS saltará en un esquema pseudo aleatorio definido, usando una subcanalización de 1MHz. Los transmisores de FHSS están limitados a transmitir pequeñas cantidades de datos en cada canal por un determinado período de tiempo antes de saltar al próximo canal en la secuencia [11]. La Figura 1.7 muestra cómo realiza la transmisión de los datos un equipo transmisor con tecnología FHSS.. Figura. 1.7- Forma de transmisión de datos con tecnología FHSS.. El orden en los saltos en frecuencia se determina según una secuencia pseudo aleatoria almacenada en unas tablas, y que tanto el emisor y el receptor deben conocer. Después de cada salto el dispositivo debe re-sincronizarse con el otro radio antes de que pueda enviar los datos. La intención del patrón pseudo aleatorio de salto es la de evitar interferencias debido a que permanece poco tiempo en una frecuencia específica. Si existe interferencia en alguno de los canales del patrón de salto, aunque la señal de RF (radio frecuencia) experimentara interferencia de tiempo en tiempo, será minimizada por el pequeño intervalo.

(27) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 14. de tiempo hospedado en esa frecuencia interferida. Esta técnica también utiliza la zona de los 2.4 GHz. Espectro extendido por secuencia directa (DSSS) La tecnología de espectro extendido por secuencia directa (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum) usa una portadora que se mantiene fija en una banda de frecuencia específica. La señal de datos en vez de ser transmitida en una banda angosta o estrecha (como lo hacen las comunicaciones por microondas) es esparcida o expandida en un rango de frecuencias mucho mayor usando un esquema de codificación específico. En esta técnica se genera un patrón de bits redundante (señal de chip) para cada uno de los bits que componen la señal. Cuanto mayor sea esta señal, mayor será la resistencia de la señal a las interferencias. El estándar IEEE 802.11 recomienda un tamaño de 11 bits [11]. En recepción es necesario realizar el proceso inverso para obtener la información original. La secuencia de bits utilizada para modular los bits se conoce como secuencia de Barker (también llamado código de dispersión o pseudo noise). Es una secuencia rápida diseñada para que aparezca aproximadamente la misma cantidad de 1 que de 0. Un ejemplo de esta secuencia es el siguiente. +1-1+1+1-1+1+1+1-1-1-1-1. Solo los receptores a los que el emisor haya enviado previamente la secuencia podrán recomponer la señal original. Además, al sustituir cada bit de datos a transmitir, por una secuencia de 11 bits equivalente, aunque parte de la señal de transmisión se vea afectada por interferencias, el receptor aún puede reconstruir fácilmente la información a partir de la señal recibida [11]. En la Figura 1.8 se muestran los campos que componen una trama DSSS y más adelante la función de cada uno.. Figura. 1.8- Formato de la trama DSSS.. Sincronismo: Contiene una codificación de 128 bits que garantiza la sincronización previa del receptor..

(28) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 15. Delimitador de comienzo de trama (SFD): Señaliza el comienzo de la trama real después del preámbulo. Señal: Indica a la capa física que tipo de modulación se utilizara en la transmisión. La velocidad será igual al valor de este campo multiplicado por 1000 kbps. Servicio: Reservado para usos futuros. Longitud: Entero sin signo de 16 bits que indica el número de microsegundos requerido para transmitir los datos. CRC: Los campos de cabecera están protegidos por una secuencia de verificación de trama CRC-16. Multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) Actualmente OFDM no sólo se usa en las redes con tecnología WiFi (Wireless Fidelity, estándar 802.11a, 802.11g), sino también en tecnología WiMAX (World Interoperability for Microwave Access, estándar 802.16), en comunicaciones de alta velocidad por vía telefónica como las líneas subscriptoras digitales asimétricas (ADSL, Asymmetric Digital Subscriber Line), en sistemas de comunicación por línea de potencia (PLC, Power Line Communications) y en difusión de señales de televisión digital terrestre [11]. La técnica de espectro disperso de OFDM distribuye los datos en un gran número de portadoras que están espaciadas entre sí en distintas frecuencias precisas. Ese espaciado evita que los demoduladores vean frecuencias distintas a las suyas propias. Una característica ventajosa de la tecnología OFDM es que logra un mayor aprovechamiento del espectro, lo cual se demuestra en la Figura 1.9 cuando se compara con la multiplexación por división de frecuencia (FDM)..

(29) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 16. Figura. 1.9- Utilización del espectro en señales FDM y OFDM.. Una señal OFDM, consiste en una suma de subportadoras equidistantes en el dominio de la frecuencia y moduladas en fase, PSK (Phase Shift Keying) o en amplitud, QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Su principio de funcionamiento se basa en la conversión serie-paralelo de un flujo de datos complejos de alta velocidad en un conjunto paralelo de Ns flujos de datos de velocidad Ns veces inferiores [12], la Figura 1.10 ilustra este proceso.. Figura. 1.10- Transmisión de datos usando OFDM.. En OFDM las subportadoras usadas para transmitir son escogidas de modo que sean ortogonales entre sí (desfase de 90º entre señales de la misma frecuencia), ventajoso para la modulación, que puede ser realizada por una simple Transformada Inversa de Fourier Discreta (IDFT, Inverese Discret Fourier Transform) en concordancia con el receptor que solo necesita una Transformada Rápida de Fourier (FFT, Fast Fourier Transform) para invertir esta operación. La tecnología OFDM supera el problema de Interferencia Intersímbolo (ISI, Inter Symbol Interference), mediante el uso de un intervalo de guarda (de un período) al principio del símbolo..

(30) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 1.5. 17. Seguridad en las redes inalámbricas. En una red cableada tradicional, el control del acceso es muy sencillo: si una persona tiene acceso físico a una computadora o a un hub (concentrador) de la red, entonces pueden usar los recursos de la red. Si bien los mecanismos a través de software son un componente importante de la seguridad de la red, el mecanismo decisivo es limitar el acceso físico a los dispositivos de la red. Las reglas cambian significativamente en las redes inalámbricas, las consideraciones de seguridad son importantes a la hora de montar cualquier tipo de red inalámbrica, no solo contra los intrusos que se conectan para ocasionar daños en la misma, sino también para que sea confiable en la transferencia de datos, los cuales pueden verse afectados por ciertos agentes durante la transmisión. El método más usado por los estándares para la seguridad en las redes inalámbricas es la autenticación y dentro de este se emplean algunos mecanismos como: el filtro MAC, red cerrada o encriptación. Autenticación Antes de tener acceso a los recursos de la red, los usuarios deben ser autenticados. En un mundo ideal, cada usuario inalámbrico debería tener un identificador personal que fuera único, inmodificable e imposible de suplantar por otros usuarios. • Filtro MAC Empleando un filtro para el Control de Acceso al Medio (MAC, Medium Access Control) en nuestro punto de acceso (AP, Access Point), se pueden autentificar a los usuarios mediante su dirección MAC. Con este método el punto de acceso, mantiene una tabla de direcciones MAC aprobadas. Cuando un usuario intenta asociarse a un punto de acceso, la dirección MAC del cliente debe estar en la lista aprobada, o de lo contrario la asociación va a ser rechazada. Desafortunadamente, este no es un mecanismo de seguridad ideal. Mantener las tablas MAC en cada dispositivo puede ser muy engorroso, requiriendo que.

(31) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 18. todos los dispositivos cliente tengan su dirección MAC grabadas y cargadas en los AP. Además, las direcciones MAC a menudo pueden modificarse mediante software. • Red cerrada Otra forma popular de autenticación de las redes inalámbricas es la llamada red cerrada. En una red común, los AP transmiten sus identificadores de servicios básicos (SSID, Service Set Identifier) muchas veces por segundo, permitiéndoles a los clientes encontrar la red y mostrar su presencia al usuario. En una red cerrada, el AP no transmite el SSID, y los usuarios deben conocer el nombre completo de la red antes de que el AP les permita asociarse. Esto evita que los usuarios casuales descubran la red y la seleccionen en su cliente de red inalámbrica. Con esta característica hay varios inconvenientes. Forzar a los usuarios a escribir el SSID completo antes de conectarse a la red, amplía las posibilidades de error y a menudo resulta en solicitudes de soporte y quejas. • Encriptación Probablemente la encriptación sea la mejor herramienta para autenticar a los usuarios de la red. Mediante una fuerte encriptación, se puede identificar a un usuario de una forma única difícil de suplantar, y usar esa identidad para determinar accesos futuros a la red. La encriptación también tiene el beneficio de ofrecer una capa de privacidad adicional porque evita que los intrusos tengan un acceso fácil al tráfico de la red. Ya hoy día existen varios métodos de encriptación, entre los más utilizados se encuentran los que explican a continuación. o WEP El método de encriptación más utilizado en las redes inalámbricas es el llamado encriptación WEP. WEP significa privacidad equivalente a la cableada (Wired Equivalent Privacy). WEP utiliza una clave compartida de 40 bits para encriptar los datos entre el punto de acceso y el cliente. La clave debe ingresarse en los AP así como en cada uno de los clientes. Cuando se habilita WEP, los clientes no pueden asociarse con el AP hasta que utilicen la clave correcta. Un intruso oyendo una red con WEP igual puede ver el tráfico y las direcciones MAC, pero los mensajes de los datos de cada paquete están encriptados. Esto provee a la red de un buen mecanismo de autenticación, además de darle un poco de privacidad..

(32) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 19. WEP definitivamente no es la mejor solución de encriptación que haya disponible. Por un lado, la clave WEP se comparte entre todos los usuarios, y si la misma está comprometida entonces cambiar la contraseña puede ser extremadamente difícil, ya que todos los AP y los dispositivos clientes deben cambiarla. Esto también significa que los usuarios legítimos de la red pueden escuchar el tráfico de los demás, debido a que todos conocen la clave. Además, varias versiones de WEP son vulnerables mediante técnicas conocidas, haciendo aún más fácil atacar algunas redes. Algunos fabricantes han implementado varias extensiones a WEP, pero esas extensiones no son parte del estándar, de tal manera que no van a funcionar correctamente entre equipamientos de diferentes fabricantes. Actualizando al firmware más reciente en todos sus dispositivos inalámbricos, puede prevenir alguno de los primeros ataques conocidos a WEP. o WPA Otro protocolo de autenticación en la capa de enlace de datos es el Acceso Protegido WiFi (WPA, Wireless Fidelity Protected Access). WPA se creó específicamente para lidiar con los problemas de WEP que se mencionaron antes. Provee un esquema de encriptación significativamente más fuerte, y puede utilizar una clave privada compartida, claves únicas asignadas a cada usuario. Las credenciales de autenticación se chequean usando el protocolo 802.1X, el cual puede consultar una base de datos externa como Servicio de Usuarios Telefónico de Autenticación Remota (RADIUS, Remote Authentication Dial-In User Service). Mediante el uso de un Protocolo de Integridad Temporal de la Clave (TKIP, Temporal Key Integrity Protocol), las claves se pueden rotar rápidamente, reduciendo la posibilidad de que una sesión en particular sea descifrada. En general, WPA provee una autenticación y privacidad significativamente mejor que el estándar WEP. o WPA2. En junio de 2004 la edición final del estándar 802.11i fue adoptada y recibió el nombre comercial WPA2 (WiFi Protected Access 2) por parte de la alianza WiFi. La nueva herramienta ofrece a los administradores una mayor seguridad para sus redes solo pueden acceder a la red los usuarios autorizados, además, es compatible con el método de encriptación anterior, WPA. WPA2 provee una seguridad con alto grado de gobernabilidad, implementa un algoritmo de encriptación realizado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, National Institute of Standards and Technology). WPA2 puede.

(33) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 20. habilitarse en dos versiones: WPA2 Personal y WPA2 Corporativo. El primero de ellos protege contra accesos no autorizados a la red mediante una contraseña de entrada, el segundo verifica los usuarios de la red a través de un servidor. [13] 1.6. Estándares inalámbricos. La industria de las redes inalámbricas ha manifestado un acelerado crecimiento en el campo de las telecomunicaciones. Esto ha llevado a que prestigiosas organizaciones como el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers) y el Instituto de Estándares de Telecomunicaciones Europeo (ETSI, European Telecommunication Standard Institute) desarrollen un amplio estudio de la tecnología de radio, dando lugar a las normas por las que se debe regir cualquier entidad que realice proyectos de diseño de dispositivos inalámbricos o redes inalámbricas.. 1.6.1. Estándares IEEE 802.11 - WiFi. La tecnología principal utilizada actualmente para la construcción de redes de área local inalámbricas de bajo costo es la familia de protocolos 802.11, también conocida en muchos círculos como WiFi. La familia de protocolos de radio 802.11 ha adquirido una gran popularidad en el mundo. Mediante la implementación de un grupo común de protocolos, los fabricantes de todo el mundo han producido equipamiento altamente interoperable. • IEEE 802.11 Fue publicada el 1997, considerándose la primera norma de la familia IEEE 802.11, con operatividad dentro de la banda de los 2.4 GHz. Se lograron velocidades hasta 2 Mbps con una tasa de datos de 1.2 Mbps. Define dos niveles físicos, espectro extendido por salto de frecuencia (FHSS) y de secuencia directa (DSSS). Para la aplicación FHSS, se emplea modulación 2GFSK y 4GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) para lograr 1 y 2 Mbps respectivamente. En cambio, para DSSS, emplea dos tipos de modulación, DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) y DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) para 1 y 2 Mbps respectivamente, definiendo 14 canales solapados, con 22 MHz de ancho de banda cada uno, desde los 2.401 a 2.483 GHz..

(34) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 21. • IEEE 802.11a Este estándar fue ratificado en el año 1999, pero no es hasta diciembre del 2001 que se introduce en el mercado internacional. Las frecuencias de trabajo se ubican en los 5 GHz, usando técnicas de multiplexación por división de frecuencia sobre portadoras ortogonales (OFDM) empleando hasta 8 canales no solapados, equivalente a 8 puntos de acceso, ahora con una velocidad hasta los 54 Mbps y con sus respectivos tipos de modulación. El 802.11a opera en la banda ISM entre 5725 y 5850MHz, y en una porción de la banda UNII entre 5.15 y 5.35GHz, siendo incompatible con 802.11b y 802.11g, su alta frecuencia implica un rango más bajo de cobertura comparado con el 802.11b/g al mismo nivel de potencia. • IEEE 802.11b Se establece en 1999 como una evolución del estándar IEEE 802.11, operando en la misma banda, dentro de los 2.4 GHz. Este sólo emplea DSSS alcanzando velocidades de 1, 2, 5.5 y 11 Mbps, similar a las conexiones de 10 Mbps de las Ethernet basadas en los grupos de trabajo, con modulación CCK (Complementary Code Keying) y DQPSK, ahora con un mejor desempeño con respecto a su antecesor, aunque aún con una razón de datos pequeña que cae, aproximadamente, a la mitad de su velocidad total. • IEEE 802.11g Fue aprobado en el 2001 y ya en octubre del siguiente año se da a conocer un preproyecto con 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 para lograr los 54 Mbps se usa la técnica OFDM similar a la norma IEEE 802.11a.. 1.6.2. Extensiones de los estándares inalámbricos IEEE 802.11. En adición a las normas anteriores y paralelamente con sus progresivas introducciones al mercado mundial, se fueron desarrollando otro conjunto de estándares destinados al perfeccionamiento de los servicios brindados por las redes de radio. • IEEE 802.11h Esta norma responde a las exigencias europeas específicamente. Prevé el Control de la Potencia de Transmisión (TPC, Transmit Power Control) y la selección dinámica de Frecuencia (DFS, Dynamic Frequency Selection), para los equipos que operan en la banda de los 5 GHz, eliminando posibles interferencias en las comunicaciones satelitales,.

(35) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 22. consideradas de carácter primario en este continente. Su desarrollo se favorece con el objetivo de competir con la norma europea HiperLAN (High Performance Radio LAN). • IEEE 802.11d Constituye un complemento al nivel MAC en la familia IEEE 802.11, proporcionando el uso, a escala mundial, de las redes WLAN de este estándar. Asegura que los puntos de acceso comuniquen la información sobre los canales de radio admisibles, con niveles de potencia aceptables para los dispositivos de los usuarios. • IEEE 802.11e Garantiza la adición del soporte de calidad de servicio (QoS, Quality os Service) al protocolo MAC. Posibilita la incorporación de aplicaciones de requerimientos especiales de tiempo como voz y video, así como videoconferencias sobre redes de radio normadas por la familia IEEE 802.11. • IEEE 802.11i Incorpora la seguridad mediante la encriptación avanzada y procedimientos de autentificación, según los requerimientos de alta privacidad que sean solicitados. Es el equivalente a WPA2, última versión en seguridad de redes inalámbricas. • IEEE 802.11f Especifica un protocolo entre puntos de acceso (IAPP, Inter-Access Point Protocol) para la comunicación entre estos, independientemente de los proveedores y la marca de los productos. Comprende la inscripción de un punto de acceso en una red y el cambio de información cuando un usuario se traslada en la zona de cobertura gestionada por los puntos de acceso de diferentes orígenes. • IEEE 802.11j Destinada a la interoperatividad entre las normas 802.11a y la europea HiperLAN. Minimiza las diferencias entre ambos estándares para así lograr compatibilidad entre los productos de diferentes proveedores. 1.6.3. Estándares inalámbricos IEEE802.16 – WiMAX. PreWiMAX es el nombre que adoptó la tecnología basada en el estándar IEEE 802.16 antes de la aprobación del estándar IEEE 802.16e, sin embargo los fabricantes han utilizado el término WiMAX en sus dispositivos porque es ventajoso para la venta [14]. La tecnología llamada actualmente WiMAX, es una potente solución a las necesidades de redes de acceso inalámbricas de banda ancha, de amplia cobertura y elevadas prestaciones. Ofrece una gran.

(36) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 23. capacidad e incorpora mecanismos para la gestión de la calidad de servicio (QoS). Los principales estándares referentes a WiMAX son: • IEEE 802.16 Se estableció el estándar en el mes de diciembre del año 2001, el cual presenta las condiciones necesarias para la interfaz aérea en sistemas de acceso inalámbrico de banda ancha en redes metropolitanas. Está concebido para operar en frecuencias entre 10 y 66 GHz con velocidades de 120 Mbps en aplicaciones fijas punto a multipunto con antenas direccionales. Se requiere para su funcionamiento línea de vista directa. • IEEE 802.16b/c Este estándar se crea en el año 2002, se realiza una enmienda agregándosele al estándar las letras b/c con interoperabilidad y especificaciones de certificaciones. • IEEE 802.16a En enero del 2003 evoluciona el estándar adicionándole la (a). El 802.16a permite operar en frecuencias entre 2-11 GHz, no requiere visibilidad directa NLOS (Non-Line-of Sight). Además puede usar la tecnología OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) y tiene un ancho de banda de canal variable de 1,5 a 20 MHz. El estándar presenta tres nuevas capas físicas: capa de simple portadora, capa de 256 FFT (Fast Fourier Transform) OFDM y capa de 2048 FFT OFDMA. • IEEE 802.16d En julio del 2004, se revisa el estándar y surge el IEEE 802.16d, ahora publicado bajo el nombre de IEEE 802.16-2004. Este reemplaza al 802.16, al a, b/c, y d, e incluye toda la tecnología en el documento. Mantiene la bandas de frecuencia entre 2 y 11 GHz y que no requiere visibilidad directa. Realiza cambios en la parte de OFDM: permite implementar sistemas de antenas de múltiple entrada y múltiple salida (MIMO, Multiple Input Multiple Output), así como en la sub-canalización en OFDMA. También modifica el preámbulo y las portadoras pilotos. • IEEE 802.16e Fue ratificado el 15 de diciembre del 2005 para la aplicación de la tecnología WiMAX con movilidad, sosteniendo la comunicación incluso a las velocidades de los vehículos. Trabaja en bandas de frecuencia inferiores a los 6 GHz, sin necesidad de línea de vista. El estándar permite incorporar tecnologías como: SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division.

(37) CAPÍTULO 1. SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA.. 24. Multiplexing Access), con número de portadoras flexible 128, 256, 512, 1024, 2048. Además se mejoran las tecnologías MIMO y AAS (Adaptive Antenna Systems). En la evolución de esta tecnología se han realizado otras transformaciones que se registran en las siguientes extensiones: •. 802.16f: Base de información de gestión.. •. 802.16g: Plano de gestión de procedimientos y servicios. •. 802.16h: Mecanismo de mejoramiento de coexistencia para operación sin licencia.. •. 802.16i: Base de información de gestión móvil.. •. 802.16j: Especificación “Multihop relay”.. •. 802.16k: Puente de 802.16.. •. 802.16m: Interfaz aéreo avanzado. Velocidad de datos 100 Mbps para aplicaciones móviles y 1Gbps para aplicaciones fijas.. 1.6.4. Diferencias entre WiMAX y WiFi. Con la introducción masiva de WiFi, están empezando a aparecer algunas deficiencias del protocolo que restringen su aplicación. WiFi diseñado para Redes de Área Local como alternativa al cableado estructurado, no permite interactuar a una gran cantidad de usuarios. Además tiene que contar con una gran potencia para la transmisión a grandes distancias y la conexión se hace imposible cuando encuentra algún obstáculo óptico en su camino. WiMAX ha sido diseñado para complementar a WiFi en aquellas carencias que este presenta y está pensado principalmente como tecnología de última milla. Destaca WiMAX por su capacidad como tecnología portadora, lo que la hace adecuada para entornos de grandes redes corporativas de voz y datos así como para operadores de telecomunicaciones que se vean obligados a usar enlaces inalámbricos como parte de su backbone. Asimismo permite cubrir distancias considerables sin línea de visión directa. [15].

(38) CAPÍTULO 2. RADIO PROPAGACIÓN Y PARÁMETROS DE LOS ENLACES INALÁMBRICOS. CAPÍTULO 2.. 25. RADIO PROPAGACIÓN Y PARÁMETROS DE LOS ENLACES INALÁMBRICOS. Las comunicaciones inalámbricas hacen uso de las ondas electromagnéticas para enviar señales a través de largas distancias. Desde la perspectiva del usuario, las conexiones inalámbricas no son particularmente diferentes a cualquier otra conexión. Pero las ondas de radio tienen algunas propiedades inesperadas en comparación con una red cableada. Para construir enlaces inalámbricos de alta velocidad, es importante comprender cómo se comportan las ondas de radio en el mundo real. Las ecuaciones de Maxwell son las herramientas fundamentales para el estudio de la propagación de las ondas electromagnéticas. Desafortunadamente, este método resulta muy complejo para el cálculo de los enlaces en la práctica; lo cual requiere la utilización de otras vías, no tan exactas, para determinar los valores de los parámetros que caracterizan un enlace de radio. 2.1. Definiciones y conceptos. Debido a la complejidad que presenta cualquier estudio sobre la radio propagación, se hace necesario el conocimiento previo de varios conceptos importantes para lograr una mejor comprensión del tema. 2.1.1. Formas de propagación de las ondas de radio. Existen diferentes formas en que las ondas pueden propagarse en el espacio. Aunque las ondas electromagnéticas viajan en línea recta, su trayectoria puede ser alterada por la tierra y la atmósfera. Existen tres formas de propagación de las ondas electromagnéticas en el espacio: ondas de superficie, ondas de espacio y ondas ionosféricas, las cuales se reflejan en la Figura 2.1..

(39) CAPÍTULO 2. RADIO PROPAGACIÓN Y PARÁMETROS DE LOS ENLACES INALÁMBRICOS. 26. Figura. 2.1- Forma de propagación de las ondas de radio.. Para el caso de este proyecto donde se trabaja con sistemas inalámbricos por microondas la forma de propagación utilizada es las ondas espaciales y específicamente las ondas troposféricas. Las ondas espaciales se clasifican en dos tipos: •. Ondas directas: viajan en línea recta de la antena transmisora a la receptora.. •. Ondas reflejadas: generalmente degradan el rendimiento del sistema pues difieren en fase de la onda directa, debido a la diferencia de trayectoria.. A continuación se describe el fenómeno de la propagación por dispersión troposférica. Propagación por dispersión troposférica En el caso de la radiocomunicación por dispersión de las ondas radioeléctricas en las turbulencias que ocurren en las regiones altas de la troposfera,. el mecanismo de. propagación se denomina ondas por dispersión troposférica. En el mismo tienen influencias los fenómenos de atenuación de espacio libre y refracción atmosférica, dispersión troposférica y desvanecimientos. Este mecanismo de propagación tiene lugar en las frecuencias de UHF fundamentalmente y está dentro de las que también se denominan ondas de espacio..

(40) CAPÍTULO 2. RADIO PROPAGACIÓN Y PARÁMETROS DE LOS ENLACES INALÁMBRICOS. 2.1.2. 27. Zonas de Fresnel. En la óptica y comunicaciones por radio, una zona de Fresnel es uno de los elipsoides en revolución concéntricos teóricamente infinitos que definen volúmenes en el patrón de radiación de la abertura circular. La sección transversal de la primera zona de Fresnel es circular. Las zonas subsecuentes de Fresnel son anulares en la sección transversal, y concéntricas con cada una de las anteriores. Las dimensiones de las zonas de Fresnel varían en dependencia de la longitud del recorrido y la frecuencia de la señal, con un radio determinado a partir del índice (n) su zona correspondiente:. (2.1). donde rn es el radio de la primera zona de Fresnel (Fig. 2.2) , λ la longitud de onda de la señal y d1 y d2, las distancias respectivas al plano en cuestión.. Figura. 2.2- 1ra. Zona de Fresnel.. El concepto de las zonas de Fresnel se puede utilizar también para analizar interferencia por obstáculos cerca de la trayectoria de una antena de radio. Esta zona se debe determinar primero, para mantenerla libre de obstrucciones. La obstrucción máxima permisible para considerar que no hay obstrucción es el 40% de la primera zona de Fresnel. La obstrucción máxima recomendada es el 20%..

(41) CAPÍTULO 2. RADIO PROPAGACIÓN Y PARÁMETROS DE LOS ENLACES INALÁMBRICOS. 28. Clarencia: Distancia de la obstrucción a la línea de vista. Se obtiene del perfil y se mide en metros. Es negativa cuando la obstrucción está por encima de la línea de vista directa. Es positiva cuando la obstrucción está por debajo de la línea de vista. La Tabla 2.1 muestra como se manifiesta la atenuación debido a la clarencia para diferentes casos de obstrucción de las zonas de Fresnel. Tabla 2.1- Atenuación en función de la clarencia.. Zonas de Fresnel 0.5 de la zona libre 0 (topando) 0.5 de la zona obstruida 1.0 de la zona obstruida 1.5 de la zona obstruida 2.0 de la zona obstruida 2.5 de la zona obstruida 3.0 de la zona obstruida. 2.1.3. Atenuación 2 dB 6 dB 10 dB 16 dB 19.5 dB 22 dB 24 dB 25.5 dB. Línea de vista. Con línea de vista (LOS, Line Of Sight): En un enlace LOS, la señal viaja a través de un camino directo y sin obstrucciones desde el transmisor hasta el receptor. Un enlace LOS requiere que la mayor parte de la primera zona de Fresnel esté libre de obstrucciones (Fig. 2.3). Si no se cumple este requerimiento existirá una reducción significativa de la intensidad de señal. La zona de despeje de Fresnel requerida depende de la frecuencia de operación y de la distancia entre transmisor y localidades receptoras. [16] Por lo tanto, cuando se realiza un enlace entre dos puntos con visibilidad directa se tiene que conocer la distancia y la altura de los obstáculos, así como la altura de las antenas transmisora y receptora..

(42) CAPÍTULO 2. RADIO PROPAGACIÓN Y PARÁMETROS DE LOS ENLACES INALÁMBRICOS. 29. Figura. 2.3- Enlace con línea de vista.. Sin línea de vista (NLOS, Non Line Of Sight): En un enlace NLOS, la señal alcanza al receptor por medio de reflexiones, difracciones y dispersiones. Las señales que alcanzan al receptor consisten en componentes del camino directo, caminos reflejados múltiples, energía de dispersión y caminos de propagación por difracción. Estas señales poseen distintos retardos, atenuaciones, polarizaciones y estabilidad relativa al camino directo (Fig. 2.4). [16]. Figura. 2.4- Enlace sin línea de vista..

(43) CAPÍTULO 2. RADIO PROPAGACIÓN Y PARÁMETROS DE LOS ENLACES INALÁMBRICOS. 2.2. 30. Mecanismos de propagación. Como ya se explicó anteriormente, las ondas electromagnéticas se propagan en el espacio de multiples formas. Muchas veces el viaje de las ondas no se hace directamente entre una antena transmisora y una receptora, sin embargo es posible la comunicación. Esto se debe a que durante el trayecto las señales se ven afectadas por diversos fenómenos (reflexión, refracción, absorción, difracción y dispersión), los cuales ocasionan cambios de dirección a la información haciendo posible que esta llegue a su destino.. 2.2.1 Reflexión, refracción y absorción En la transmisión de ondas por el espacio puede darse el caso en que una onda viaje a través de un determinado medio y en un momento dado incida sobre la superficie de otro. Cuando esto ocurre, inicialmente una parte de la energía de la onda se refleja, variando su dirección de propagación dentro del primer medio; otra parte de la energía se transmite o refracta a través del segundo medio, cambiando igualmente su dirección y una tercera porción de la energía es absorbida por el material del segundo medio.. Reflexión: La reflexión electromagnética ocurre cuando una onda incidente choca con una barrera existente entre dos medios y parte de la energía incidente no penetra en el segundo material. Las ondas que no penetran el segundo material se reflejan y viajan en el mismo medio pero en una dirección diferente a la inicial, como se puede apreciar en la Figura 2.5.. Figura. 2.5- Fenómeno de la reflexión de las ondas electromagnéticas.. Este fenómeno depende tanto de las propiedades físicas (superficie geométrica, textura, grosor y composición del material) como de la señal (ángulo incidente, orientación, polarización, y longitud de onda). En el que se cumple que el ángulo de reflexión es igual al.

(44) CAPÍTULO 2. RADIO PROPAGACIÓN Y PARÁMETROS DE LOS ENLACES INALÁMBRICOS. 31. ángulo incidente, que un conductor perfecto refleja el 100% de la energía incidente mientras que un dieléctrico, refleja por ejemplo parte de la energía dependiendo del ángulo de la incidencia, y refracta el resto. Para un ángulo de incidencia cercano a 0º, la onda es reflejada en su totalidad, en cambio, para uno cercano a los 90º, ésta se refracta. En general, un material refleja parte de energía, refracta otra parte y absorbe el resto. La reflexión también introduce un desplazamiento de fase de 180º que determina el efecto de distorsión multitrayecto. [10] Refracción: Es el cambio de un rayo que pasa oblicuamente de un medio a otro, con diferentes velocidades de propagación. La velocidad a la cual una onda electromagnética se propaga es inversamente proporcional a la densidad del medio en el cual se está propagando (Fig. 2.6). Por lo tanto, la refracción ocurre siempre que la onda de radio pasa de un medio a otro de diferente densidad. Cuando una onda pasa de un medio menos denso a uno más denso, la velocidad de propagación disminuye y se inclina hacia abajo acercándose a la normal. El ángulo de incidencia es el formado entre la onda incidente y la normal, y el ángulo de refracción es el que se forma entre la onda refractada y la normal.. Figura. 2.6- Fenómeno de la refracción de las ondas electromagnéticas.. El ángulo de refracción depende del índice de refracción de los dos materiales, definido como la relación de la velocidad de propagación de un rayo de luz en el espacio libre a la velocidad de propagación en un material dado. Absorción: El material donde incide la onda electromagnética puede tener características conductoras tales que sea capaz de absorber una parte de la energía de la señal, produciendo corrientes en la superficie del material y convirtiendo la energía en calor. La cantidad de.

(45) CAPÍTULO 2. RADIO PROPAGACIÓN Y PARÁMETROS DE LOS ENLACES INALÁMBRICOS. 32. potencia perdida va a depender de la frecuencia de la señal y del material. La fracción de energía que penetra dicho medio se llama coeficiente de absorción. A menudo se utiliza el coeficiente de absorción para describir el impacto de un material en la radiación. Para las microondas, los dos materiales más absorbentes son: • Metal: Los electrones pueden moverse libremente en los metales, y son capaces de oscilar y por lo tanto absorber la energía de una onda que los atraviesa. • Agua: Las microondas provocan que las moléculas de agua se agiten, capturando algo de la energía de las ondas.. 2.2.2 Difracción La difracción se define como la redistribución de energía de un frente de onda cuando este pasa cerca del extremo de un objeto opaco. Es el comportamiento de las ondas cuando al incidir en un objeto dan la impresión de doblarse. Es el efecto de “ondas doblando las esquinas”, lo cual se observa en la Figura 2.7.. Figura. 2.7- Fenómeno de la difracción de las ondas electromagnéticas.. Es por medio del efecto de difracción que las ondas van a “doblar” las esquinas, o van a atravesar una abertura en una barrera. Este fenómeno se acentúa siempre que las dimensiones de dicho cuerpo sean comparables con la longitud de onda del haz. El fenómeno es más intenso cuando el borde es afilado. La longitud de onda de la luz visible es muy pequeña para que los humanos puedan observar este efecto directamente. Las microondas, con una longitud de onda de varios centímetros, muestran los efectos de la difracción cuando chocan contra paredes, picos de montañas y otros obstáculos. La obstrucción provoca que la onda cambie su dirección y doble en las esquinas..

(46) CAPÍTULO 2. RADIO PROPAGACIÓN Y PARÁMETROS DE LOS ENLACES INALÁMBRICOS. 2.2.3. 33. Dispersión. La dispersión ocurre cuando el frente de onda de una señal, encuentra en su trayectoria obstáculos de pequeñas dimensiones, comparados con la longitud de onda de la señal viajera. Esto provoca que el frente de onda se fragmente y se disperse en diversas direcciones. Para el caso de longitudes de onda típicas en redes inalámbricas, que operan en las frecuencias de 2.4 y 5 GHz, múltiples objetos comunes pueden conducir a la dispersión. 2.3. Interferencia, ruido y distorsión. En los sistemas inalámbricos el medio físico de propagación, el aire, no se comporta de forma ideal, lo cual conlleva a que se introduzcan pérdidas y diferentes tipos de afectaciones en la transmisión de las ondas. Esto ocasiona trastornos en la señal que contiene la información, lo que puede causar modificaciones de dicha información, haciendo de este, un sistema sin calidad y no confiable. Entre las perturbaciones se encuentran: interferencia, ruido y distorsión. 2.3.1. Interferencia. La interferencia de ondas de radio ocurre cuando dos o más ondas electromagnéticas se combinan de tal forma que el funcionamiento del sistema se degrada. La interferencia se apoya en el principio de superposición lineal de ondas electromagnéticas y ocurre cada vez que dos o más ondas ocupan, simultáneamente, el mismo punto en el espacio. La interferencia tiene diversas formas de clasificación: Interferencia Canal Adyacente: La frecuencia de la señal interferente corresponde a los canales contiguos al deseado. Interferencia Cocanal: La interferencia se produce en la misma frecuencia portadora que la de la señal deseada. El caso se da cuando existen diferentes redes que están a una corta distancia y que operan en la misma banda de frecuencia. Interferencia Inter Símbolos: La presencia de trayectos múltiples en propagación de radio es un fenómeno que se debe a las reflexiones (ecos) de las ondas sobre el suelo o los obstáculos presentes en el trayecto que une el emisor al receptor. En transmisión digital,.